摘要

功率模塊到散熱器連接方案設(shè)計時，除關(guān)注熱管理和機械強度以外，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)無鉛焊料熔點溫度下完成回流，無需改變工藝，熱管理性能遠(yuǎn)優(yōu)于導(dǎo)熱脂、硅樹脂、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。此外，更低的回流溫度可以緩解焊接過程中塑封模塊翹曲和熱膨脹系數(shù)失配問題，還降低了能耗。-40/+125°C熱沖擊測試結(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械強度，其可靠性與標(biāo)準(zhǔn)無鉛焊料相當(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

散熱管理和長期可靠性是功率半導(dǎo)體的兩個關(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，對功率器件的散熱方式提出了更高的要求。在諸如新能源車、光伏逆變器、工業(yè)電機驅(qū)動器、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)計都需要考慮并滿足散熱的需求。特別是在新能源車的應(yīng)用中，還需要平衡模塊體積、重量和功耗需求，此類系統(tǒng)設(shè)計的重點之一是如何減少功率模塊封裝的數(shù)量[2, 3]。因此，單個模塊必須達(dá)到更高的性能，如更高電壓、功率密度，才能實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的目標(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），如有機硅或石墨烯 TIM導(dǎo)熱率低。石墨烯材料在 Z 方向?qū)崧实停茈y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TIM，除了提供良好的導(dǎo)熱通路之外，還可以實現(xiàn)高質(zhì)量的機械連接，并有助于提升系統(tǒng)的長期可靠性。

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，需要通過較高溫度的回流工藝，這可能會存在封裝體內(nèi)部出現(xiàn)分層的潛在風(fēng)險，從而降低模塊的性能或長期可靠性。尤其是回流溫度超過 220°C 時，分層風(fēng)險會顯著增加。而典型無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)熱性能和機械可靠性，又能在較低回流溫度的焊接的新型無鉛合金焊片解決方案。

合金技術(shù)

焊片合金技術(shù)在開發(fā)時主要關(guān)注但不限于：不同金屬化處理界面上的可焊性、機械可靠性、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合金出現(xiàn)可靠性問題。綜合評估后，選定錫銀銅-銦（SAC-In）作為實驗合金。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)勢在于，與常見無鉛合金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合金熔點為139°C，回流溫度約在170 – 180°C，但它質(zhì)地脆，機械強度和可靠性相對較差[8, 9]。SnInAg合金熔點175-187°C，熔點與錫鉛（Sn63Pb37）合金相當(dāng)和物理機械性能優(yōu)于Sn63Pb37，但受錫銦共晶影響，SnInAg工作溫度只能在100°C以下。SnBi熔點遠(yuǎn)低于SAC-In和SnInAg中錫銦共晶的影響，限制了它們在較高工作溫度下應(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 時的熱膨脹系數(shù)。而標(biāo)準(zhǔn)無鉛合金250°C回流溫度則遠(yuǎn)高于EMC的Tg，由CTE失配帶來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更大的挑戰(zhàn)。

圖三 ：SAC-In 真空甲酸回流曲線

可靠性實驗

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熱沖擊測試。測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

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

圖五：熱沖擊實驗設(shè)備

實驗選取了常見無鉛合金SAC305，SnSb焊片以及低溫合金SnAgIn作為對照組。如圖六TST 1000循環(huán)前后超聲掃描對照，SAC-In、SAC305 和 SnSb 在 TST 之后沒有出現(xiàn)降級或開裂，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試前后超聲掃描對比

對TST后的對每種合金焊接層進(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)之后沒有明顯開裂或分層，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裂現(xiàn)象。

圖七：熱沖擊測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 方案又實現(xiàn)了更高的可靠性。

結(jié)論

實驗數(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，SAC-In 可以實現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng) TIM 的導(dǎo)熱性能，以滿足新能源車應(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——分層是此項應(yīng)用中最為常見的失效模式。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，無需其它投入，降低整體擁有成本。SAC-In合金對于焊接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)等更多可靠性測試。

作者：胡彥杰?銦泰公司中國區(qū)技術(shù)經(jīng)理

胡彥杰

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

現(xiàn)任銦泰公司中國區(qū)技術(shù)負(fù)責(zé)人，統(tǒng)籌全國技術(shù)團(tuán)隊為半導(dǎo)體封裝及電子制造客戶提供全流程技術(shù)和產(chǎn)品支持。曾在CSTIC、IMAPS、CSPT、PCIM、SMTA等國內(nèi)外論壇以及學(xué)術(shù)會議上發(fā)表多篇技術(shù)文章，擔(dān)任中國SMTA技術(shù)顧問委員會委員、審稿人。擁有中科院計算技術(shù)研究所集成電路工程碩士及南開大學(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)無鉛焊料熔點的溫度下實現(xiàn)回流焊接。該產(chǎn)品無需對現(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。

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

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