功率模塊焊接材料及應(yīng)用介紹

本文將聚焦近年來大熱的功率模塊焊接問題。

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功率模塊方面，各大品牌廠商的型號林林總總，但總體形式一般都基于IGBT單管或模塊或增加控制電路再并聯(lián)或串聯(lián)封裝成模塊等形式。芯片基礎(chǔ)材料涵蓋了所有功率技術(shù)——硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料。

以常見的IGBT模塊封裝形式為例，其結(jié)構(gòu)中以直接鍵合銅陶瓷板（DBC）為基礎(chǔ)，其上通過焊料焊接IGBT及FWD芯片和互聯(lián)引腳。芯片上需要進(jìn)行鋁線/鋁帶鍵合。DBC底部焊接導(dǎo)熱基板或直接連接于散熱器。表面封裝后就是IGBT模塊的完整形式。

對于高鉛錫膏，從行業(yè)經(jīng)驗(yàn)看Pb(92.5%)Sn(5%)Ag(2.5%)合金具有很好的可靠性。

組成成分方面，Pb易與Sn形成良好的共晶，進(jìn)而形成可靠的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)具有延展性，但其濕潤性能不足。Sn組分扮演活性金屬的角色，易與銅/鎳/銀框架形成金屬間化合物（IMC），能夠增強(qiáng)合金的焊接性。Ag組分通常形成針狀A(yù)gSn結(jié)構(gòu)，其有利于提高焊接界面機(jī)械強(qiáng)度，起到加強(qiáng)合金微觀結(jié)構(gòu)的作用。

而且，高鉛合金的熔化區(qū)間溫度（280 ~ 310°C）較高，這意味著其形成的焊點(diǎn)能夠承受較高的再熔溫度，有利于多次焊接中梯度溫度窗口的形成，同時具有更好的高溫環(huán)境耐受能力。

此外，高鉛合金優(yōu)異的焊接可靠性和抗疲勞能力，也是其經(jīng)久不衰、始終活躍在可靠焊接領(lǐng)域的原因。另外，錫膏在功率器件中的應(yīng)用包括鋼網(wǎng)印刷和點(diǎn)錫兩種工藝，需要不同的錫膏產(chǎn)品適配。

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對于無鉛焊料，目前賀利氏電子也已開發(fā)出全方位適配的產(chǎn)品，其中包括典型的SnAg3.5、SnAgCu、SnSb、Innolot? 和 ?HT1 (賀利氏專利合金) 合金系列產(chǎn)品。

標(biāo)準(zhǔn)粉徑：3號、4號粉。合金以Sn為主體，Cu組分有利于形成CuSn顆粒狀晶相結(jié)構(gòu)和金屬間化合物（IMC），增強(qiáng)焊接強(qiáng)度，以及平衡基板中銅向焊料內(nèi)部的快速擴(kuò)散，減低柯肯達(dá)爾空洞的發(fā)生（如圖5）。Sb組分可溶于錫，有利于增加焊接界面可靠性，提高合金熔化溫度窗口。

SnAg3.5合金錫膏可應(yīng)用于中、高壓模塊：由于無Cu，其形成的焊點(diǎn)更軟，具有更好的抗蠕變變形（抗剪切開裂）能力，有利于不同CTE 材料變形時內(nèi)應(yīng)力的釋放。SnAgCu合金錫膏是較成熟的無鉛合金焊料，可滿足低壓或中壓模塊的應(yīng)用場景。SnSb合金錫膏適用于中、高壓模塊，具有優(yōu)秀的抗疲勞性能和較好的工藝操作性。

這里重點(diǎn)介紹一下?HT1合金錫膏，其在使用陶瓷基板或直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)的應(yīng)用中，能顯著提高焊接可靠性。其目標(biāo)工作溫度最高可達(dá)175°C，而作為對比，SAC無鉛焊料不建議超過125°C。與陶瓷電路相關(guān)的主要失效問題之一是Ag基界面溶解到焊料中，也稱為Ag浸出。隨著Ag慢慢地溶解到焊點(diǎn)中，銀錫金屬間相變厚，并能使焊點(diǎn)發(fā)生脆性（如圖6）。

其次，HT1合金能顯著提高焊接可靠性（如圖8）。HT1合金優(yōu)異的性能主要得益于Sn、Ag、Cu、In 以及結(jié)晶促進(jìn)劑的專利配方成分，對標(biāo)準(zhǔn)SAC合金進(jìn)行了改性，合金中添加了銦和特殊的晶體改進(jìn)劑。銦有助于抑制浸出過程，晶體改性劑有助于形成結(jié)晶核，形成小的星形晶體（如圖7）。其可以控制和減少金屬間相，特別是AgSn相的生長。

1. 焊片搭配助焊劑型號推薦: SF64

2. Innolot?合金特性可參考《高可靠性焊接材料INNOLOT合金的性能及應(yīng)用》。