摘要

功率模塊到散熱器連接方案設(shè)計(jì)時(shí)，除關(guān)注熱管理和機(jī)械強(qiáng)度以外，還需要在成本、工藝選擇和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。本課題選用SAC-In低溫?zé)o鉛焊料制成預(yù)成型焊片，可在低于標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)溫度下完成回流，無(wú)需改變工藝，熱管理性能遠(yuǎn)優(yōu)于導(dǎo)熱脂、硅樹(shù)脂、PCM等傳統(tǒng)導(dǎo)熱界面材料，是一套適用于大規(guī)模生產(chǎn)的直接替代方案，特別適用于塑封模塊到與散熱器焊接應(yīng)用。SAC-In焊片方案回流峰值溫度低于215°C，降低了模塊內(nèi)部芯片、元件以及塑封料受損和出現(xiàn)分層的風(fēng)險(xiǎn)。此外，更低的回流溫度可以緩解焊接過(guò)程中塑封模塊翹曲和熱膨脹系數(shù)失配問(wèn)題，還降低了能耗。-40/+125°C熱沖擊測(cè)試結(jié)果表明，新型SAC-In 低溫?zé)o鉛焊料具有較高的延展性和機(jī)械強(qiáng)度，其可靠性與標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛焊料相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：模塊焊接、導(dǎo)熱界面材料（TIM）、SiC 功率模塊、塑封模塊、焊片

引言

散熱管理和長(zhǎng)期可靠性是功率半導(dǎo)體的兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。寬禁帶半導(dǎo)體如碳化硅、氮化鎵器件的快速普及，對(duì)功率器件的散熱方式提出了更高的要求。在諸如新能源車(chē)、光伏逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、大功率電池管理系統(tǒng)和電力牽引系統(tǒng)等高功率密度應(yīng)用中，從芯片到器件外殼的設(shè)計(jì)都需要考慮并滿(mǎn)足散熱的需求。特別是在新能源車(chē)的應(yīng)用中，還需要平衡模塊體積、重量和功耗需求，此類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一是如何減少功率模塊封裝的數(shù)量[2, 3]。因此，單個(gè)模塊必須達(dá)到更高的性能，如更高電壓、功率密度，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。如圖一，模塊到散熱器焊接的示意圖所示，選擇正確的作用于塑封功率模塊與散熱器之間的導(dǎo)熱界面材料是其中的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱界面材料（TIM），如有機(jī)硅或石墨烯 TIM導(dǎo)熱率低。石墨烯材料在 Z 方向?qū)崧实?，很難達(dá)到功率模塊散熱的要求[4-7]。選擇使用片焊接的方式作為T(mén)IM，除了提供良好的導(dǎo)熱通路之外，還可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的機(jī)械連接，并有助于提升系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。

圖一： 使用焊片將功率模塊焊到散熱器示意圖

焊片是因其高導(dǎo)熱性能和較低的成本，使其成為了工作溫度和散熱要求更高的新能源汽車(chē)等相關(guān)應(yīng)用TIM材料主要選擇之一。但在使用焊片將塑封功率模塊與散熱器系統(tǒng)焊接到一起時(shí)，需要通過(guò)較高溫度的回流工藝，這可能會(huì)存在封裝體內(nèi)部出現(xiàn)分層的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而降低模塊的性能或長(zhǎng)期可靠性。尤其是回流溫度超過(guò) 220°C 時(shí)，分層風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。而典型無(wú)鉛合金回流峰值溫度一般都大于 250°C，這就限制了錫銻等較高可靠性合金在此類(lèi)應(yīng)用中的使用。因此，需要一種既能提供較高的導(dǎo)熱性能和機(jī)械可靠性，又能在較低回流溫度的焊接的新型無(wú)鉛合金焊片解決方案。

合金技術(shù)

焊片合金技術(shù)在開(kāi)發(fā)時(shí)主要關(guān)注但不限于：不同金屬化處理界面上的可焊性、機(jī)械可靠性、耐熱沖擊性能、高導(dǎo)熱性能等性能。此外，考慮到低回流溫度的應(yīng)用要求，還需避免合金中存在有低熔相，從而預(yù)防在較高工作溫度時(shí)合金出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。綜合評(píng)估后，選定錫銀銅-銦（SAC-In）作為實(shí)驗(yàn)合金。如圖二，列舉出不同導(dǎo)熱界面材料在Z方面熱導(dǎo)率比較，包括有機(jī)物型TIM（高分子材料、導(dǎo)熱硅脂、相變材料和石墨烯），焊接型TIM（SAC-In、錫銻SnSb、純銦In）和銀燒結(jié)材料。

圖二：不同導(dǎo)熱界面材料在Z方面熱導(dǎo)率比較

SAC-In應(yīng)用于塑封模塊到散熱器焊接主要優(yōu)勢(shì)在于，與常見(jiàn)無(wú)鉛合金SAC或SnSb相比，它回流溫度更低，但能提供與SAC或SnSb相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱性能和機(jī)械可靠性，且成本相當(dāng)并遠(yuǎn)低于燒結(jié)材料。在其它應(yīng)用中，210 – 220°C或更低溫度下能實(shí)現(xiàn)階梯焊接的主要是錫鉍（SnBi）和錫銦銀（SnInAg）合金。SnBi合金熔點(diǎn)為139°C，回流溫度約在170 – 180°C，但它質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度和可靠性相對(duì)較差[8, 9]。SnInAg合金熔點(diǎn)175-187°C，熔點(diǎn)與錫鉛（Sn63Pb37）合金相當(dāng)和物理機(jī)械性能優(yōu)于Sn63Pb37，但受錫銦共晶影響，SnInAg工作溫度只能在100°C以下。SnBi熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于SAC-In和SnInAg中錫銦共晶的影響，限制了它們?cè)谳^高工作溫度下應(yīng)用的可能，尤其在功率模塊焊接的應(yīng)用中。

SAC-In合金回流峰值溫度205 – 215°C，如圖三典型真空甲酸回流曲線所示。這對(duì)塑封模塊焊接應(yīng)用非常重要，模塊外殼使用的塑封材料（EMC）主要由?環(huán)氧樹(shù)脂為基體，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）一般在210 – 220°C [10-12]。材料的Tg特性還必須與熱膨脹系數(shù) (CTE)一起考慮。對(duì)于大多數(shù)材料而言，CTE在Tg之上和之下相差很大。高于Tg的CTE可能比低于Tg的高出二到三倍。通常，EMC產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中標(biāo)注的熱膨脹系數(shù)(CTE, α)中α1和α2分別代表材料或化合物在低于和高于 Tg 時(shí)的熱膨脹系數(shù)。而標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛合金250°C回流溫度則遠(yuǎn)高于EMC的Tg，由CTE失配帶來(lái)的翹曲和模塊材料之間的應(yīng)力為模塊本身和模塊到散熱器的焊接帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

圖三 ：SAC-In 真空甲酸回流曲線

可靠性實(shí)驗(yàn)

將SAC-In焊片進(jìn)行組裝、甲酸-真空回流焊接，再完成依據(jù)AQG324要求的-40/+125°C熱沖擊測(cè)試。測(cè)試樣品制作選用功率模塊常用材料，直接覆銅陶瓷基板（DBC）和化學(xué)鍍鎳銅板散熱器。圖四為測(cè)試選用DBC和散熱器尺寸等相關(guān)數(shù)據(jù)及焊接后外觀照片。

圖四：DBC、散熱器相關(guān)數(shù)據(jù)和焊接后外觀照片

熱沖擊測(cè)試使用 ESPEC 液-液熱沖擊（TST）試驗(yàn)箱（下圖 五），測(cè)試條件是 -40/+125°C, 3min/3min，目標(biāo)為完成 1000 次循環(huán)測(cè)試。

圖五：熱沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選取了常見(jiàn)無(wú)鉛合金SAC305，SnSb焊片以及低溫合金SnAgIn作為對(duì)照組。如圖六TST 1000循環(huán)前后超聲掃描對(duì)照，SAC-In、SAC305 和 SnSb 在 TST 之后沒(méi)有出現(xiàn)降級(jí)或開(kāi)裂，但低溫合金SnAgIn 發(fā)現(xiàn)有分層和空洞明顯增加的情況。

圖六：不同合金焊片在熱沖擊測(cè)試前后超聲掃描對(duì)比

對(duì)TST后的對(duì)每種合金焊接層進(jìn)行橫截面分析，如圖七所示，結(jié)果與超聲掃描基本一致。SAC-In在TST 1000循環(huán)之后沒(méi)有明顯開(kāi)裂或分層，焊接層形態(tài)與 SAC305 和SnSb相當(dāng)。而低溫合金SnAgIn在邊緣位置有明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖七：熱沖擊測(cè)試后焊接界面的橫截面分析

總之，在 -40/+125°C的工作溫度范圍內(nèi)，SAC-In 合金表現(xiàn)出與 SAC305和SnSb合金相當(dāng)?shù)目煽啃阅?，但可以在更低的溫度下完成回流。相較于更低溫合金 SnAgIn ，SAC-In 方案又實(shí)現(xiàn)了更高的可靠性。

結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 SAC-In 合金技術(shù)在塑封模塊散熱器焊接應(yīng)用的可行性。它既可以在210°C峰值溫度下完成回流，又能在-40/+125°C的工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)比一般低溫合金更高的可靠性能。在將SAC-In焊片作為塑封到散熱器之間的焊接型TIM時(shí)，SAC-In 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng) TIM 的導(dǎo)熱性能，以滿(mǎn)足新能源車(chē)應(yīng)用的需求。此外，使用它可以降低焊接的峰值溫度，避免封裝內(nèi)部出現(xiàn)分層——分層是此項(xiàng)應(yīng)用中最為常見(jiàn)的失效模式。SAC-In合金技術(shù)可以直接使用現(xiàn)有的成熟的焊接回流焊設(shè)備和工藝，無(wú)需其它投入，降低整體擁有成本。SAC-In合金對(duì)于焊接TST性能提升原因相關(guān)研究仍在進(jìn)行中。今后工作中著重選取代表性的塑封模塊，進(jìn)行TST和功率循環(huán)等更多可靠性測(cè)試。

作者：胡彥杰?銦泰公司中國(guó)區(qū)技術(shù)經(jīng)理

胡彥杰

資深技術(shù)專(zhuān)家，銦泰公司中國(guó)區(qū)技術(shù)經(jīng)理，深耕半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域20年，專(zhuān)注于先進(jìn)封裝技術(shù)開(kāi)發(fā)與工藝優(yōu)化，對(duì)電子組裝及封裝材料應(yīng)用有著深刻的理解和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。曾為眾多行業(yè)頭部客戶(hù)提供技術(shù)支持，助力技術(shù)升級(jí)，并積累大量成功案例。

現(xiàn)任銦泰公司中國(guó)區(qū)技術(shù)負(fù)責(zé)人，統(tǒng)籌全國(guó)技術(shù)團(tuán)隊(duì)為半導(dǎo)體封裝及電子制造客戶(hù)提供全流程技術(shù)和產(chǎn)品支持。曾在CSTIC、IMAPS、CSPT、PCIM、SMTA等國(guó)內(nèi)外論壇以及學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表多篇技術(shù)文章，擔(dān)任中國(guó)SMTA技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)委員、審稿人。擁有中科院計(jì)算技術(shù)研究所集成電路工程碩士及南開(kāi)大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

產(chǎn)品推薦：Indalloy? 301LT

Indalloy? 301LT低溫?zé)o鉛焊料預(yù)成型焊片，能夠在低于標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)的溫度下實(shí)現(xiàn)回流焊接。該產(chǎn)品無(wú)需對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行調(diào)整，其導(dǎo)熱性能顯著優(yōu)于導(dǎo)熱脂、硅樹(shù)脂和相變材料（PCM）等傳統(tǒng)解決方案，是一種成熟且適合大規(guī)模生產(chǎn)的直接替代選擇。特別是在塑封模塊與散熱器的焊接應(yīng)用中，Indalloy? 301LT焊片的回流峰值溫度可控制在215°C以下，有效降低了模塊內(nèi)部芯片、元器件及塑封材料因高溫受損或分層的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，較低的回流溫度還能顯著緩解焊接過(guò)程中塑封模塊的翹曲問(wèn)題以及熱膨脹系數(shù)不匹配引起的應(yīng)力問(wèn)題，同時(shí)減少能耗。Indalloy? 301LT低溫?zé)o鉛焊片具備較高的延展性和機(jī)械強(qiáng)度，其可靠性與標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛焊料相當(dāng)，能夠滿(mǎn)足嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。

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