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功率半导体模块焊接及无损检查工艺的探析

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文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2016-10-07 19:47:00

 摘 要:基于多年对新型功率半导体模块焊接工艺的研究,本文进一步探析了“真空+气体保护”焊接、缺陷无损检查工艺及提高焊接质量的方法。

  1. 引言
  新型功率半导体器件模块(以下简称功率模块)产品(如IGBT、MOSFET)是目前国际上发展最迅速、用途最广泛的功率半导体模块。作为电力电子节能技术的核心器件,现今已广泛应用于输变电(智能电网等)、冶金(高中频炉等)、马达驱动(变频器等)、轨道交通(高铁、轻轨、地铁等)、大功率电源(电焊机、开关电源等)、环保节能新能源领域(电动汽车及太阳能、风电等)及节能家电产品(如空调机、电冰箱等)等各个领域,市场前景十分广阔。
  随着模块功率密度加大和集成化程度的不断提高,对焊接质量的要求也越来越高,对于大功率焊接型模块来说,高功率、大电流、多芯片焊接技术及其焊接质量无损检测技术尤其重要,因此功率模块的焊接已成为功率模块封装的核心技术,无损检测成为关键检测工艺。作者根据多年来对“真空+气体保护”功率模块焊接及无损检测技术的研究,在提高功率模块焊接质量方面积累了一定的经验。
  2. 常用焊接工艺简介
  2.1 热板焊接工艺
  热板焊接可分为不带箱体的平板式热板焊接工艺和带恒温箱体的热板焊接工艺,其中后者的恒温效果更好。热板焊接工艺的优点是设备简单、成本低,以往常应用在一般硅器件的焊接。由于该工艺焊接质量难以保证,现已被淘汰,仅在少数小工厂中使用。
  2.2 回流焊接工艺
  回流焊接工艺一般指在链式炉上实施的焊接工艺,通常是在氮气或氢氮混合气体保护下,多采用膏状焊料,能够满足一般硅整流器件或其模块的焊接质量要求,有效焊接面积达到85%以上。由于其非常适合大规模批量化的生产要求,因而在八十年代和九十年代初被广泛采用,但由于炉带输送的“抖动”易使焊料结晶时产生“位错”和由于氧化、气泡造成焊接“空洞”等焊接质量问题,不适用于新型功率半导体器件的焊接。“位错”会造成焊接层的电及机械性能下降。“空洞”则会降低模块的电及热传导性,使有效导电、散热面积减少、热阻增加,导致热点的产生,降低了模块的可靠性。
  2.3 真空焊接工艺
  真空技术是帮助液态焊料去除空洞的可靠方法。真空焊接工艺是指在可以抽真空的箱式焊接炉中实施的焊接工艺,通常采用膏状焊料,有效的避免了链式炉运行中炉带抖动所导致得焊料“位错”引起的焊接不良问题。通过抽真空排除气泡,从而减少了焊接“空洞”的产生,提高了焊接质量。对于宜于实施膏状焊料焊接工艺的可控硅等半控器件来讲,有效焊接面积可达95%-99%,是一种较为理想的焊接方法。但由于需要清洗残留助焊剂,易引起二次沾污和氧化,对于需要二次键合工艺的IGBT、MOSFET模块,则效果不太理想。
  2.4 “真空+气体保护”焊接工艺
  该工艺是在真空焊接工艺的基础上发展起来的,由美国GE公司首先提出,并被应用于航天、航空等军工器件的焊接上。从九十年代初开始应用于工业级半导体器件的生产中。由于该工艺同时采用了“静止”焊接、“氮气”保护、“真空”除气泡和“H气体”除氧化助焊等多种焊接工艺,具有较为理想的焊接效果,而且由于具备了免清洗特点,更适用于IGBT、MOSFET等全控器件的生产,是目前国际上先进的焊接工艺。新佳电子公司目前正使用这种焊接工艺并研发出自己的“ZKH+H”焊接工艺软件,效果好。本文将在第二节中重点介绍该工艺。
  3. “真空+气体保护”焊接工艺
  3.1 工艺原理
  通常情况下,影响焊接质量的最主要因素是焊接“空洞”,产生焊接空洞的原因:一是焊接过程中,铅锡焊膏中助焊剂因升温蒸发或铅锡焊片在熔化过程中包裹的气泡造成焊接空洞。而真空环境可使空洞内部和焊接面外部形成高压差,压差能够克服焊料粘度,达到释放空洞的效果;二是焊接面的不良加湿所造成的焊接空洞,一般情况下是由于被焊接面有轻微的氧化造成的,这包括了由于材料保管的不当造成的部件氧化和焊接过程中高温造成的氧化,即使真空技术也不能完全消除其影响。在焊接过程中适量的加入氢气或N2+HCOOH助焊气体可有效地去除氧化层,使被焊接面有良好的浸润性,加湿良好。基于上述原理,经过多年的探索,“真空+气体保护”焊接技术现已成为高功率、大电流、多芯片功率模块封装焊接工艺的最佳选择。
  该焊接工艺升温时利用高纯氮气保护焊接组件不被其氧化。到达焊接温度时利用高纯氢气或N2+HCOOH助焊气体对焊接表面进行还原清洗,去除氧化物,使焊接表面具有良好的浸润性。再利用真空技术将焊接面内的气泡排除,保证焊接面内无空洞,焊接面有良好的欧姆接触。最后采用可程控的冷却方式,获得被焊接面的最佳电气及机械性能。全过程在具有程控加热、冷却、真空、充气功能的真空仓内进行。
  3.2 工艺特点
  通常情况下,功率模块焊接的工艺原理是基本相同的,但对于不同用途的功率模块,其电路拓扑不同,内部的芯片的数量、电流大小和结构设计不同,使用的焊料不同,因而其具体的焊接工艺参数是不尽相同的,本文仅就作者从事IGBT模块的焊接工艺研究工作中所掌握的情况概括地叙述一下,仅供参考。具体的参数值应在具体的工艺试验中确定。
  影响焊接质量的主要因素有元器件和零部件表面状态、焊接材料性能以及焊接工艺条件等,本文重点讨论焊接工艺条件。主要工艺条件包括工艺温度、真空度、升温速率、降温速率,恒温时间、保护气体的种类及纯度等。正确的设置这些参数是保证焊接质量重要前提。工艺参数的设置与工艺设备直接相关。下面我们介绍两种“真空+保护气体”焊接工艺:
  3.2.1 单真空仓工艺
 
  图3.1是我们公司自行研发的“ZKH+H”焊接工艺示意图,显示了“真空+气体保护”焊接工艺的参数设置及工艺过程。对温度、真空度、升温速率、降温速率和恒温时间的工艺参数设置,确定焊接气体的性质、流量、浓度、温度、混合比例,和废气的无害化排放处理、安全模式等方面,进行了优化设计。我公司用了多年时间进行了大量试验,国内首家在IGBT模块项目上成功运用该工艺,使公司在大面积、高功率、多芯片的新型功率半导体模块的焊接技术工艺上走向了行业前列。通过程序控制,该工艺可在具备上述工艺条件的单真空仓设备上进行,工艺过程在《电力半导体功率模块焊接工艺的探讨》1一文中已有介绍,本文不再续述。其工艺特点如下:
  ⑴通过氮气清洗、氢气保护焊接、真空排除气泡、助焊气体提高焊料浸润性,从而达到最佳的焊接效果(无孔洞焊接)。
  ⑵使用高温焊接材料,加强产品抗热疲劳能力,提高可靠性。
  ⑶焊接表面高度洁净,免清洗,粗铝丝键合稳定可靠。
  ⑷静止焊接,冷却速率可控,实现焊料最佳结晶效果,达到良好的电、热及机械特性。
  3.2.2 多真空仓工艺
  单真空仓工艺设备的工艺过程简单实用,但工艺周期较长。目前,国外一家公司推出了三仓结构的工艺设备,预热、真空焊接和冷却分别在三个工作仓内完成,具有独立加热板和冷却板,且分别保持恒温状态,不必每次都由室温大幅度变化到焊接温度,焊接时间和设备耗能均有所下降,适用于联线生产,使生产速率倍增。
 
  从图3.2可以看出,由于工艺设备的设计原因,工艺温度梯度较为明显,温度上升及下降曲率有较宽的调整范围,恒温区可以做的较为平坦。图3.3是其用于加热和冷却过程中具有较陡梯度的温度的工艺曲线例图,模块重量为1000克,工艺时间为4分钟。
 
  表3.1是设备生产公司推荐的一种工艺温度参数表,在实际工艺中,由于使用焊料熔点、是否含铅、使用助焊方法以及助焊剂成分的不同,工艺参数的设置及工艺曲线有较大的差别,最佳的工艺参数需要在实践中试验确定。我们的经验是,适当的提高峰值温度以及减慢冷却速度可获得更好的焊接效果。
3.3 应注意的问题
  3.3.1 焊接工艺的选择
  模块的焊接工艺通常分为使用膏状焊料的“湿式”焊接工艺和使用焊片的“干式”焊接工艺,由于湿式焊接工艺完成后的半成品必须进行清洗,而清洗效果直接影响模块的质量,尤其对于需要铝丝键接工艺的IGBT模块,影响不容忽视。对于表面钝化稍有缺陷的芯片(玻璃钝化层上的微小裂纹),清洗的“残留物”会进一步破坏钝化层,严重时会造成产品提前失效。因而,IGBT模块等新型功率半导体模块的生产多采用干式焊接工艺,即免清洗工艺。我们公司所采用“ZKH+H”工艺属于这种工艺,其焊接完成的半成品表面非常洁净,不需要进行清洗。
  虽然干式焊接工艺的焊接质量较高,但其对工艺条件的要求也较高,例如工艺设备条件,工艺环境的洁净程度,工艺气体的纯度,芯片、DBC基片等焊接表面应无沾污和氧化情况,焊接过程中的压力大小及均匀性等,要根据实际需要和现场条件来选择合适的焊接工艺。
  3.3.2 升温速率
  升温过程中,应特别注意在焊料趋于熔化时的升温速率,在到达这个关键温度点附近时,要将升温速率降下来,尽量避免或减小芯片的窜动。这对于“湿式”焊接工艺尤为重要,在到达100℃附近时,如升温速率过高,膏状焊料中溶剂的气体蒸发就会过快,可能会导致“火山效应”,从而影响焊接质量。
  3.3.3 真空度及真空速率
  真空对减少焊接空洞非常有利,真空度的高低对焊接空洞率的影响较大,据德国PINK公司介绍,真空度对焊接空洞的影响如表3.2:
表中的数据表明,不采用真空的焊接工艺将可能产生高达43%的空洞。图3.4是用剥离检查(撕裂)方法看到的可控硅模块焊接空洞的图片,从图片上可以看到焊接面上分布着大量的空洞,这也印证了上述说法。
采用真空焊接工艺后,随着真空度的提高,焊接空洞在逐渐减少,从表中看出,真空度≤1mbar时,空洞率可减少到3%以下,达到了很好的焊接效果。作者认为,除非特殊要求,1mbar真空度就可以满足模块的焊接质量要求,不必追求太高的真空值。图3.5是采用真空焊接工艺完成的焊接效果图片,焊接过程中的真空度达到1mbar。
同时,还应注意在上条所述的关键温度点实施真空工艺时,要限制真空速率,使气泡得到软释放,避免由于气泡的硬释放造成器件的窜动从而影响焊接质量。
  3.3.4 冷却速率
  在冷却过程中,要注意焊料结晶点附近的冷却速率,较缓慢的冷却速度可以获得最佳结晶效果,达到良好的电、热及机械特性。
  4. 焊接效果的检测分析
  焊接质量的检查方法一般有两种:非破坏性和破坏性检查。其中,广泛使用的非破坏性检查方法有外观目测检查、电气性能检查、X光射线检查和超声波扫描显微镜检查。破坏性检查主要为剥离检查,电镜扫描检查等。
  4.1 目测检查
  目测检查是目前仍在广泛使用的常规焊接质量检测方法,主要是使用肉眼或低倍数的显微镜,从外观上检查焊接处焊料润湿状态。
  4.2 电性能测试
  由于焊接不良,减小焊接面积,会增大接触电阻和散热热阻,通常用专门的压降和热阻测试设备来测试。例如IGBT模块,可以通过测量器件的饱和压降Vce(sat)来间接检测芯片与DBC、电极间的焊接质量,如果检测的结果超出标准范围,则可能存在着虚焊或较大的焊接空洞。批量生产的在线测试常用这种方法。
  4.3 剪切力测量
  剪切力测量是剥离检查方法的一种,是常用的检验芯片与基片间焊接质量的方法,可以直观的观察到的焊接面状况,由于它具有破坏性,一般仅用于不良焊接的分析。
  4.4 X光射线检查和超声波扫描显微镜检查
  对于焊接质量的检查,传统的检测是进行全动态功率测试,既浪费时间又浪费大量的电力,检测结果精度低又不直观,需要了解焊接缺陷的位置、形状及大小时还需进行破坏性的解剖分析,同时不能精确的知道缺陷的面积的大小,不利于规模化生产。
  X光检测适用于检测内部的结构性情况,比如 IC 集成电路内部的金线分布等。超声波扫描显微镜更适用于检测芯片与基底之间粘接层的缺陷或其他界面之间的缺陷。因其性能各有千秋,互相补充,规模大的生产厂家同时拥有这两种设备。
  4.4.1 X光射线检查
  当X射线穿透被测模块时,由于被测模块内部材料、密度和厚度的差别,致使它被吸收的程度不同,所以到达增强屏的X射线量出现差异,在增强屏就形成黑白对比不同的影像,通过CCD和采集卡进行图像采集分析处理,就得到一个清晰的图像。
  X射线检查在半导体器件的典型应用是BGA焊接质量的检测,例如BGA的虚焊、开路和连锡等。如图4.1-1、图4.1-2和图4.1-3。
目前,随着X光机的功能的不断增强和图像清晰度的提高,在新型电力电子模块的检测中的应用逐渐增多,例如SCR、FRD、VDMOS、IGBT等模块。
  4.4.2 超声波扫描显微镜检查
  超声波扫描显微镜检测方法的理论依据是不同介质的界面具有不同的声学性质,反射超声波的能力也不同,利用专用计算机软件系统对反射波进行分析,当超声波遇到缺陷时会在屏幕上显示投射面积和缺陷相近的图像,因此就可知空洞的大小和所在位置。在生产过程中,该技术可以随时监控和检查焊接质量,可精确分析焊接缺陷的位置、形状、面积的大小和形成缺陷的可能原因,控制产品质量。在新产品研制时,可以在第一时间分析了解产品内部结构、知道设计焊接工艺的结果,加快新产品的研制速度。目前,超声波扫描显微镜的性能颇佳,大多具备如下扫描模式:
  A-扫描是超声波最基本扫描形式。
  B-扫描相当于观察样品的横截面,可以用来确定缺陷在纵向方向上的位置和深度。
  P-扫描相当于多次的B-扫描,可以用来确定缺陷在纵向方向上的位置和深度。
  C-扫描相当于观察样品的剖面,通过时间窗口的选择可以确定剖面的位置和宽度,并将窗口选择在所需观察的界面位置,从而得到缺陷的数量和外形尺寸。
  X-扫描相当于多次等分的不同层面C-扫描,通过一次扫描的方式得到多个不同深度位置的图像,适合与多层结构的器件检测。
  G-扫描和X-扫描一样,所不同的只是用户可以根据样品的情况将每个扫描层面设置为不同的扫描参数,如其位置、宽度等。
  D-扫描结合了B-扫描和C-扫描的功能,为斜对角扫描模式,适用于观察相对于表面倾斜的内部界面样品,或用于在一个扫描图像中观察整个样品的多层结构。
  Z-扫描模式是将A-扫描、B-扫描、P-扫描、C-扫描、X-扫描等扫描模式通过一次性的扫描完成,可以用于重建样品内部的三维图像,或作为标准样品数据保留。
  S-扫描是在样品底部加装一个接收探头,在做C-扫描的同时进行透射T-扫描,可以用来确认C-扫描图像中的无法判明的缺陷。
  3D-扫描模式是将反射波的强度、时间作为深度信息,反映出样品内部的三维结构,可选择的深度参考信号有:反射信号最大幅值peak、平均幅值mean或时间time。
  4.4.3 检测实例
  在实际模块产品的研发及生产实践中,超声波扫描显微镜和X光射线检测技术被我们大量地应用在功率半导体模块的无损捡测中。下面列举几个实际检测的案例。
  实例1:DBC焊接组件
  图4.2-1是由第三方随机抽取的IGBT半成品的DBC组件样片,使用美国产UHR-2000超声波扫描显微镜设备的扫描图像。图4.2-2中红色圆圈中的影像点即为焊接空洞。
 
  从图4.2-2中可以看出,芯片底部有微小的焊接空洞存在。
  实例2:IGBT成品模块
  对于成品模块的扫描,由于模块较厚,加之电极和键接铝线的遮挡,在正常放置位置上很难取得清晰的扫描图像。早在2006年,经过一年多时间的艰苦研究,我们公司国内首家采用“反转扫描法”解决了这一难题。下图是使用美国产UHR-2000超声波扫描显微镜,对从市场上购买的国外某公司生产的IGBT模块扫描图像,见图4.3。
 
  该模块在扫描前进行了功率测试,检测结果合格。但从扫描图像上可以看出,该模块扫描图像的层次较为清晰,焊接空洞清晰可见,主要集中在DBC与散热基板之间的焊接层上,芯片与DBC的焊接空洞相对比较少一些,这就可以解释功率测试尚可以合格的原因,但这种空洞会影响模块的散热效果,易造成模块可靠性降低。
  经扫描检查发现,在能够通过功率测试的模块中仍有一定比例的模块不能通过超声波扫描显微镜检查,这样的模块如果使用到设备上,通常会提前失效,进行超声波扫描显微镜检查,可有效地避免这种情况的发生。我们在电焊机上的试验也证实了这一点,经过扫描检查的模块比仅经过功率测试的模块的可靠性高。
  实例3:大功率水冷IGBT模块
  通常情况下,大多数的模块在焊接、铝线键接等工艺中产生的缺陷都可以通过超声波扫描显微镜或X光机的检查来发现,从而分析失效原因和剔除不合格品。但在某些情况下,可能其中一种方式会更加有效。例如对我们研发的一款3×800A的水冷汽车级IGBT模块进行焊接空洞扫描检查时发现,由于受其氮化硅铝底板的水冷锥体长度的影响(如图4.4-1所示),超声波扫描显微镜扫描检查不能正常成像。我们改用高清晰度的X光机进行检查,获得了清晰的图像,焊接空洞清晰可见,见图4.4-2。图中灰色方块分别是IGBT和FRD芯片影像,黑色圆点是氮化硅铝底板水冷锥体的影像,箭头所指白色区域是焊接空洞影像。