电力半导体功率模块芯片焊接质量可靠性研究

项罗毅，颜廷刚，陈晨

（常州瑞华电力电子器件模块有限公司，江苏常州213200）

电力半导体功率模块芯片焊接质量可靠性研究

项罗毅，颜廷刚，陈晨

（常州瑞华电力电子器件模块有限公司，江苏常州213200）

电力半导体功率模块的失效常常与焊接缺陷密切相关，其中焊接层高空洞率，焊接层强度低等问题，是影响引起功率模块失效的主要因素，同时也是可靠性研究的重要内容之一。依据功率模块芯片失效现象分析了芯片失效的原因，阐述了焊接空洞引起功率模块芯片可靠性失效的机理，同时说明了在芯片焊接过程中影响焊接质量的若干因素。

功率模块；失效；焊接；空洞

微电子焊接可靠性的问题是微电子技术中的重要课题。据美国对导弹计算机系统的131个失效集成块的分析，其中因芯片焊接造成的失效占4.8%，内引线键合失效占5.1%.焊接可靠性对电子产品的寿命和经济效益有着直接的影响，国外对这些可靠性问题已经进行了深入的系统的研究。因此，需要对芯片焊接质量的可靠性进行深入的研究。

1 芯片焊接中常见缺陷

芯片焊层的焊接品质是直接影响芯片至整个模块性能的关键因素。生产中常见的焊接缺陷有润湿不良、偏位、焊锡珠、浮起、短路、冷焊、空洞等现象，其表现形式主要如下：

（1）润湿不良。通常润湿不良是指焊点处的焊料在熔融状态时铺展性很差，从而使焊点较差，且直接地影响到了焊点的可靠性。其产生的原因：基片或芯片表面的镀层被氧化，氧化层的存在阻挡了焊锡与镀层之间良好的接触；焊接温度不够。

（2）偏位。即芯片的边缘移出基片或基板，超出了判定基准。此种不良容易造成芯片边缘打火，甚至击穿。其产生的原因：基板定位不准。

（3）焊锡珠。焊锡珠现象是芯片焊接过程中的主要缺陷之一（如图1），由于回流过程中加热急速造成的锡颗粒分散在芯片的周围或基板上，冷却后形成。此种不良容易造成芯片边缘打火及芯片耐压不足。其产生的原因：焊剂量太多，或是焊件表面受潮，焊接时容易造成焊锡飞溅。

图1 焊锡球

（4）浮起。焊接于芯片表面的基片一侧翘起的现象主要原因是焊料熔化时芯片四周受力不均匀所致，通过SAT照片可见芯片实际焊接状况，如图2用三种线型表示。其产生的原因：焊料填充不均或焊片没有贴装到位，悬空导致焊料部分熔化。

图2 芯片浮起

（5）短路。芯片上下侧边缘有焊锡相连造成短路。此种不良容易造成芯片击穿。其产生的原因：焊料太多，边缘溢出；焊剂太多，焊料流动；芯片与焊料接触压力过大。

（6）冷焊。焊料在过回流炉后未彻底的融化，存在像细沙一样的颗粒，焊点表面无光泽。此种不良容易造成芯片热疲劳性能较差。

（7）空洞。焊点内部填充空洞的出现与助焊剂的蒸发不完全有关。少量的空洞的出现对焊点不会造成太大影响，但大量出现就会影响到焊点可靠性。其产生的原因：锡膏中助焊剂比例偏大，难以在焊点凝固之前完全逸出；预热温度偏低；焊接时间过短。

上述焊接缺陷中，焊接空洞相比其他缺陷而言，更为普遍，而且具有隐匿性、危害性大的特点。在表面贴装中，空洞的问题尤其明显。在一些焊接中，空洞率达到5%~20%，甚至达到50%.因此，对焊接空洞现象需要格外关注并加以解决。

2 空洞对功率模块芯片可靠性影响

半导体功率模块的可靠性对于模块本身而言极其重要。焊点的热疲劳失效的主要原因是由于芯片和基板的热膨胀系数不匹配造成的，所以研究芯片焊点的可靠性非常重要[1-2]。

2.1 空洞的形成机理

几乎所有的空洞都是在被焊件界面处形成的。由于添加的助焊剂残留于焊材上没有润湿的部分，所以气泡产生于焊材和焊料的界面。界面处的液体表面张力是驱动气泡形成最小表面的趋势，气泡从界面处逃出需要较多的能量，只有气泡长大一定的尺寸，浮力大于液体表面张力，气泡才能脱离界面[3]。在芯片级焊接工艺中焊接层常常容易产生空洞缺陷，其主要形成机理有可以归结以下三点：（1）锡铅焊料中一般会含有一些易挥发的物质，在焊料冷却成型时被包裹在焊料中来不及排出。（2）焊接材料存在氧化物或有挥发性的物质，也会使焊层形成气泡而产生空洞。（3）此外金属氧化物化学反应也能释放一些气体。

2.2 空洞对芯片性能的影响

（1）空洞对模块的电学性能的影响。芯片级焊接中的焊层主要起着导热、导电和机械支撑的作用，其中有一点重要的是电能的传输。因此，焊接层的阻抗应尽可能的低。焊接层中存在空洞，就会减小焊接层电流传导的横截面积A，从而增大电阻，造成模块的通流能力不足，导致模块过流失效[4]。当芯片焊接层空洞较多时，材料内阻增大，功率损耗变大。

（2）空洞对模块的机械性能的影响。焊接层的机械性能主要提供芯片和基片之间的互连和支撑作用。焊接层中的空洞会严重影响焊接层的支撑强度，从而影响模块芯片的抗应力、张力的能力，最终导致模块抗温度循环的能力下降。同时空洞与热疲劳交互作用也会影响其机械性能，甚至会产生裂纹。

（3）空洞对模块的导热性能的影响。芯片焊层的另一个主要的作用是导热作用，芯片在通流工作时会产生大量的热量，这些热量的一个主要释放的途径就是通过焊点来排放出去，这样模块工作时就不会出现过热而导致损坏。

3 芯片焊接空洞的影响因素

（1）助焊剂活性的影响。助焊剂是在焊接工艺中有助于促进焊接过程，同时具有保护和阻止氧化反应的化学物质。在焊接过程中，它是一种不可缺少的辅助材料，其作用极为重要。

（2）基片材质的影响。首先，芯片与上下钼片焊接，然后上下钼片分别与铜电极连接。各层材料的热膨胀系数不同，由于钼片的膨胀系数在铜和硅之间，防止模块因急冷急热而产生过大的热应力，从而造成芯片破裂，因此通常芯片与基片之间常用钼片连接。

（3）焊料厚度的影响。随着焊料厚度的增加，空洞率明显下降。由于焊料越厚，助焊剂相对较多，去被焊件表面的氧化物的能力越强，所以空洞率降低。如果空洞在临界值以下，那么空洞将是稳定的。临界值与焊层焊点的最大直径有关。

（4）焊料选择的影响。芯片级焊接需要焊接层的熔点温度较高，以便于二次焊接时不使焊接层熔化，影响二次封装。同时希望焊接层的机械性能好，能够有足够的耐热疲劳的能力。因此选择合适的焊料是非常关键的。

（5）夹具设计的影响。芯片在焊接前，焊料、芯片和基片组装都需要一定的定位，同时焊接过程中熔化的焊料也需要芯片定位。良好设计的夹具既能保证焊接质量，又能大幅度地提高焊接的效率。

（6）工艺参数的影响。工艺参数主要包括以下几方面：

一是，焊料厚度：芯片贴装在焊片上，当焊片厚度过薄，焊料在芯片表面铺张性较差，容易大面积空洞。因此焊片厚度对焊接空洞也会产生影响。

二是，焊接预压力：在芯片上施加一定的压力，可以有效地降低芯片和基片间的间隙，降低焊接空洞率。芯片表面的压力应当选择适中。

三是，焊接温度曲线：温度曲线是焊接的主要参数，对焊料的预热、活化、熔融、回流及凝固起着关键作用。焊接过程一般由预热区域、保温区域、焊接区域、冷却区域等四个温区组成。需要严格控制浸润时间、浸润温度、最高峰值温度、高于液相温度的时间以及由于选择助焊剂和焊料而引起的升温和降温速率等关键变量也是必须的。

4 结束语

本文介绍了常见的焊接质量的缺陷，如存在润湿不良、偏位、焊锡珠、浮起、短路、冷焊、空洞等不良现象，特别是空洞对功率模块性能方面的影响，结果表明：

（1）空洞是引起半导体功率模块芯片失效的非常重要原因之一。在通流和冷热温度循环的条件下，空洞周围容易产生电应力或热应力集中，产生裂纹及裂纹扩展，甚至造成芯片失效。

（2）空洞是影响半导体功率模块可靠性的重要因素之一，芯片焊接空洞的影响因素众多，需要进一步优化焊接工艺，减少空洞率，提高模块可靠性。

[1]常俊玲.功率模块无铅焊料焊接层可靠性研究[D].北京：中国科学院，2006.

[2]孔学东，恩云飞.电子元器件失效分析与典型案例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[3]H.Iwanishi，A.Hirose，T.Imamura，K.Tateyama，I.Mor1 and K.F.Kobayashi.ProPerties of Quad Flat Package Joints Using Sn-Zn-Bi Solder with Varying Lead-Plating Materials[J]. Journal of ELECTRONIC MATERIALS，2003，12（32）：1540 -1547.

[4]吴建忠.MOS集成电路电过应力损伤的模式和机理[J].半导体技术，1994（02）：24-28.

The Research on the Reliability of Power Semiconductor Modules’Chip Welding Quality

XIANG Luo-yi，YAN Ting-gang，CHEN Chen
（Changzhou Ruihua Power Module Co.，Changzhou Jiangsu 213200，China）

The failures of power electronic devices are often closely related with welding defects in the process of welding.The problems of high hole rate and low intensity in the welding layer are a major cause of electronic devices’failure，are also one of the important contents of reliability research at the same time.According to the power semiconductor devices’chip failure phenomenon this paper analyzed the cause of devices’chip failure，and failure mechanism which is caused by welding hollow.At the same time，this paper expounds several factors affecting the chip welding quality in the welding process.

power module；failure；welding；hollow

TG44

：A

：1672-545X（2017）01-0130-02

2016-10-27

项罗毅（1986-），男，江苏常州人，硕士，应用技术部经理，研究方向：材料加工。