IGBT功率模块的一次性焊接工艺研究＊

2018-02-26管功湖梁思平

台州学院学报 2018年6期

管功湖，梁思平

（1.台州学院电子与信息工程学院，浙江临海 317000；2.临海市志鼎电子科技有限公司，浙江临海 317000）

0 引言

绝缘栅双极晶体管（IGBT）目前是功率半导体器件的主流产品，它是实现电能变换和控制的关键部件，集合了高压、高频、大电流三大技术优势，广泛应用于焊接设备、变频器、轨道交通、太阳能发电、风力发电等领域。基于近年来巨大的市场需求，IGBT的器件技术和应用邻域都得到快速的发展，各种新的芯片技术、封装技术及材料技术等被应用于IGBT的研发中［1］。

IGBT器件的封装方式主要有单管和模块两种，单管IGBT主要应用在中低压和小电流场合，而IGBT模块则应用于高电压和大电流场合，IGBT模块封装方式又分焊接式和压接式。在模块封装技术方面，国内已基本掌握传统的焊接式封装技术，中低压IGBT模块的封装厂家较多，而高压IGBT模块的封装主要集中在中车公司等大公司［2］。与国外英飞凌（Infineon）、三菱（Mitsubishi）、ABB、富士（Fuji）等公司相比，技术上依然相差甚远。

在焊接式IGBT模块封装过程中，需考虑散热管理设计、超声波端子焊接技术和高可靠锡焊技术。IGBT模块有3个连接部分：芯片上的铝线键合点、芯片与DBC陶瓷板的焊接层、DBC陶瓷板与基板的焊接层［3］。传统的焊接式封装通常采取两次真空焊接工艺，先进行芯片与DBC陶瓷板的焊接［4］，再进行母排端子与DBC陶瓷板的焊接以及DBC陶瓷板和基板的焊接［5］，焊接质量直接影响IGBT功率模块的可靠性。制造高可靠性、高性价比的IGBT模块是整个IGBT产业链的发展趋势［6-7］，这就要对IGBT模块的制造工艺进行创新。在分析和研究国内外IGBT功率模块的封装技术基础上，采用预弯处理技术的基板和互联电极，研发IGBT功率模块的焊接前倒装工艺和一次性焊接工艺，并申请相关的发明专利［8-9］。

1 IGBT功率模块构成及封装工艺

1.1 IGBT功率模块构成

图1 IGBT功率模块和内部结构图Fig.1 The IGBT power module and internal structure diagram

IGBT功率模块把二个或者二个以上的IGBT芯片按一定的电路连接在一起，焊接在散热底板上，用硅胶、环氧树脂等保护材料，密封在一个绝缘的外壳内。图1a为二单元的半桥IGBT功率模块，其内部结构如图1b所示，焊接式IGBT功率模块由多层不同的材料构成，（1）基板：铜基板为模块提供支撑，同时作为模块的散热通道和散热器相连；（2）DBC陶瓷板：由上层覆铜、DBC衬板、下层覆铜组成，作为芯片的支撑和电极的中转连接；（3）芯片：包括IGBT芯片和续流二极管FWD芯片；（4）键合引线：用来连接芯片及衬底金属端，导通电流；（5）焊层：芯片和DBC陶瓷板之间的焊层、母排端子与DBC陶瓷板之间的焊层及DBC陶瓷板和基板之间的焊层；（6）硅胶：主要提高绝缘强度，保护模块内部结构免受潮湿、酸碱腐蚀；（7）环氧树脂：它是外壳和硅胶的缓冲，保护模块内部结构免受机械冲击；（8）注塑外壳：主要保护模块内部结构。

1.2 封装工艺及改进

目前焊接式IGBT功率模块封装采用预弯处理的T2铜作基板，通过多次高温焊接工艺制造。其主要封装工艺流程为：芯片真空烧结→空洞率检验→铝丝键合→拉力剪力测试→IGBT性能测试→DBC陶瓷板、母线端子和基板等装配→二次真空烧结→空洞率检验→端子装配→超声清洗→氮气烘干→特性测试→外壳自动点胶→外壳密封→高温固化→自动灌胶保护→高温固化→端子打弯→外观处理→入库测试。

在国内外现有封装技术中，焊接式IGBT功率模块需经过二次或多次高温焊接，这样的方法使芯片受到的热应力增加，芯片可靠性降低；焊接层空洞较多［10］，模块热阻抗增大，模块的可靠性得不到保证。金属细丝引线互连，容易高频疲劳断裂，损坏模块。为此在研究国内外现有封装技术的基础上，提出IGBT功率模块的一次性焊接工艺和焊接前倒装工艺，根据焊接前倒装工艺，对基板、芯片、DBC陶瓷板、引出电极等进行组装和固定，然后按一次性焊接工艺进行焊接。

2 焊接前倒装工艺

要实现IGBT功率模块的一次性焊接，首先要对基板、芯片、DBC陶瓷板、引出电极等进行组装和固定。现有技术通常采用正（顺）装工艺来实现，就是将基板放在底层，在基板上叠加放置芯片，再在芯片上叠加放置引出电极，在芯片与基板之间增加DBC陶瓷板，各焊接层之间又要添加焊片，从而形成了多层的正（顺）装工艺。这种正（顺）装工艺存在以下问题：第一、固定支架制造复杂，固定或拆御困难，组装难度大；第二、层与层之间焊接点对准困难，导致器件性能一致性很差，合格率低；第三、组装支架的复杂性导致组装工艺复杂，增加了组装时间，劳动生产率低下，不能实现流水线生产；第四，引出电极不能与芯片进行直接焊接，因而又要引入金属细丝进行过渡连接，不能一次性完成组装。所以IGBT功率模块焊接前正（顺）装方法，组装工艺复杂，不能很好控制产品的生产质量，不易于产品批量生产。

针对正（顺）装工艺存在的问题，设计了焊接前倒装工艺，该倒装工艺能够提高IGBT功率模块的生产率，并且生产的产品质量好，成本低，可靠性高。IGBT功率模块包括基板（底板）、DBC陶瓷板（DBC基片）、芯片、内部互连电极和引出电极等，该倒装工艺的具体步骤如下：

（1）制作一个具有安装槽的支架，通过安装槽对IGBT功率模块中各部件进行支撑和固定；

（2）将引出电极放置在支架的安装槽内并进行定位固定，引出电极包括用于连接外接电路的引出极和用于与IGBT功率模块中其他部件连接的焊接极，其引出极朝下插入支架的安装槽中，焊接极朝上；

（3）将内部互连电极放置在引出电极上并由支架进行定位固定，其内部互连电极通过焊接片与引出电极的焊接极相连；

（4）将芯片放置在内部互连电极上，芯片通过焊接片与内部互连电极相连；

（5）将DBC陶瓷板放置在芯片上，并通过支架定位固定，其DBC陶瓷板通过焊接片与芯片相连；

（6）在DBC陶瓷板上放置底板，其底板通过焊接片与DBC陶瓷板相接，并由支架进行固定、支撑和定位。

焊接前倒装工艺组装图如图2所示，将采用一种不随温度变化而变形合金，先在底层放置支架，其支架上设有安装槽，在安装槽的第一层放置引出电极，第二层放置内部互连电极，第三层放置芯片，第四层放置DBC陶瓷板，第五层放置底板，每层放置的部件分别通过支架进行定位、支撑和固定。

图2 倒装工艺组装图Fig.2 The reverse process assembly diagram

3 一次性焊接工艺

实现的一次性焊接工艺流程图如图3所示，该焊接工艺的具体步骤如下：

（1）使用IGBT功率模块焊接前倒装工艺，将构成IGBT功率模块的引出电极、内部互连电极、芯片、DBC陶瓷板、合金焊料和基板进行组装和固定成整体，这一整体称为工件；

（2）把已组装好的工件按放在载物台上；在载物台上可以放置n×m只工件，n、m代表自然数。载物台可放置多个工件，实现了大批量生产，提高了生产效率。

（3）把载物台推入真空焊接炉中，关闭炉门；打开通向真空焊接炉的氢气（H2）、氮气（N2）混合气体气阀，向真空焊接炉充氢气（H2）、氮气（N2）混合气体，进行保护加热，加热时间3～5 min，使真空焊接炉内温度超过设定值1，然后断开加热电源，关闭真空焊接炉的氢气（H2）、氮气（N2）混合气体气阀，再对真空焊接炉进行抽真空处理，时间为4～8 min，可使焊接层在形成新合金过程中产生的气体逸出，消除焊接层中的空洞。