首页 > 应用 > 工业控制

在高功率应用中实现更高的焊点可靠性和低空洞率

Indium公司的Tim Jensen, Sunny Neoh,Adam Murling,Seth Homer 2019-05-05

高功率应用中的焊点正以前所未有的方式受到挑战。除了在元件和电路板之间提供机械和电气互连外,焊点还必须消耗大量的热量(图1)。N0D电子头条

 N0D电子头条

1.jpgN0D电子头条

图1.影响热流的因素。N0D电子头条

 N0D电子头条

在相对低的熔点下,焊料可以粘合具有高得多的熔点的两个表面,例如铜。此外,该粘合剂具有非常高的导电性和导热性。相对于导热率,SAC焊料约为35W / mK。相比之下,热油脂通常在1-5W / mK范围内。因此,焊料更能够耗散功率器件产生的热量。接触面积是焊料表现良好的另一个因素 - 在界面处形成金属间键合时非常理想。N0D电子头条

 N0D电子头条

认识到这个问题N0D电子头条

 N0D电子头条

可能会阻碍焊点热性能的区域是焊点距离和焊点本身内的空洞。因为焊接过程涉及金属熔化,所以由于表面张力,元件将漂浮在熔融焊料上。遗憾的是,当组分漂浮在熔融金属上时,该组分在凝固时可能不会保持平行。缺乏并行性可能导致热点。另外,这种缺乏控制可能意味着从一个设备到另一个设备的热性能的变化。N0D电子头条

 N0D电子头条

另一个对热性能产生负面影响的区域是焊点内的空洞。尽管焊料本身可以很好地传递热量,但是大的空隙将充当绝缘体并且显着减慢热传递。N0D电子头条

 N0D电子头条

解决方案N0D电子头条

 N0D电子头条

为了解决高功率应用中焊点面临的挑战,开发了一种增强型焊料预制棒(图2)。该技术采用焊料预制棒并在其中嵌入高熔点金属支座。焊料实际上可以是目前用于电子产品的任何合金。SAC305很常见。支座是一个精确的厚度,它基于目标的最终焊点粘合线。如果应用需要,这些预制件可以涂有助焊剂。N0D电子头条

 N0D电子头条

2.jpgN0D电子头条

图2.InFORMS®是一种增强型基质焊料预制棒。N0D电子头条

 N0D电子头条

在回流期间,焊料将熔化并与部件和板形成金属间键合。在回流期间,该组件将会崩溃。由于支座材料可以由熔点比焊料高得多的金属制成,因此它不会熔化。因此,部件的坍塌将限于该间隙的厚度。由于这是按照精确的厚度制造的,并且在整个焊接区域内均匀,因此最终的粘合线将保持一致。N0D电子头条

 N0D电子头条

久经考验的Bondline一致性N0D电子头条

 N0D电子头条

在Booth等人的工作中。[1],在IGBT组件中使用增强焊料预制棒将DBC粘合到基板上。在这项研究中,95Sn / 5Sb预制棒嵌入了一个厚度为0.008英寸的支座。与大多数IGBT一样,组装过程是在无助焊剂的真空回流工艺中完成的。回流焊后,他们研究了整体器件的平面度以及热循环可靠性。N0D电子头条

 N0D电子头条

图3显示了IGBT的激光表面光度仪,其中装配有增强型焊料预成型件,旁边只有一个标准焊料预成型件。当使用具有内置支座的预制件组装时,整体共面性更好,平均偏差为52.5微米,而标准预制件的平均偏差为67.5微米。增强焊料预制棒的最大挠度为60微米,而标准预制棒的最大挠度为90微米。N0D电子头条

 N0D电子头条

3.jpgN0D电子头条

图3.增强型焊料预制棒使焊点具有更加一致的粘合层。N0D电子头条

 N0D电子头条

显然,Booth等人。工作表明,增强型焊料预制棒导致焊点具有更加一致的粘合线。此外,它们在-50至+ 150°C的温度范围内进行热循环,停留时间为1小时。图4中所示的C-SAM图像将600次循环后的标准焊料与800次循环后的增强型焊料预成型件进行比较。标准焊料显示出分层,这被认为是粘合层厚度不一致的结果。即使经过200次额外循环,增强焊点也没有出现分层现象。这提供了足够的证据表明粘合层的一致性对整个焊点可靠性有影响。N0D电子头条

 N0D电子头条

4.jpgN0D电子头条

图4.左侧图像是标准预制棒,显示600次循环后焊点脱层。右边的图像是一个焊接接头,形成一个强化焊料,800次循环后没有分层。N0D电子头条

 N0D电子头条

低失效的新证明N0D电子头条

 N0D电子头条

早期的工作表明,增强焊料预制棒将使焊点具有更一致和可靠的粘合层。然而,排空是焊接时的另一个重要因素。在设计增强型预制件时有如此多的可能变量,以前不清楚这些变量将如何影响排泄。因此,开发了一个测试优惠券和DOE来评估以下变量:N0D电子头条

 N0D电子头条

•测试的基板为0.354“×1.26”并镀有浸渍的Sn。N0D电子头条

 N0D电子头条

•夹在这些基板之间的是SAC305增强预制件。N0D电子头条

 N0D电子头条

•向试样施加5克压力以在回流期间迫使焊料塌陷。N0D电子头条

 N0D电子头条

•使用空气回流工艺,回流曲线在约1℃/秒下呈线性,峰值温度为约245℃。N0D电子头条

 N0D电子头条

•该实验观察了0.010“,0.012”和0.016“的预制棒总厚度。N0D电子头条

 N0D电子头条

•检查了两个通量百分比为1%和2%。N0D电子头条

 N0D电子头条

•对于每条腿,25个优惠券被回流。N0D电子头条

 N0D电子头条

在分析DOE的排泄数据时,增强型焊料预制棒设计之间存在一些明显的差异。数据摘要如图5所示。对于支座类型,前两个字符(LM或SM)表示间距。LM的密集程度远低于支座金属。N0D电子头条

 N0D电子头条

5.jpgN0D电子头条

图5.排泄结果摘要。N0D电子头条

 N0D电子头条

SM的填充密度约为3倍,这意味着更多的支座金属嵌入相同尺寸的预制件中。N0D电子头条

 N0D电子头条

后两个字符表示间隔量(04为0.004“,08为0.008”)。所有设计的平均空隙率均小于10%。其中五个设计没有超过10%的任何数据点。进行进一步分析以确定特定属性的重要性。在该统计分析中,如果P值小于0.05,则至少一个因子的平均值在统计学上是不同的。N0D电子头条

 N0D电子头条

预制件厚度N0D电子头条

 N0D电子头条

分别分析LM04,LM08和SM04数据集的整体预制棒厚度的影响。在每种情况下,较高的整体预制件厚度导致较少的空洞。由于表面张力迫使它们进入周边,空隙从熔融焊料中逸出。熔化的焊料中的未熔化金属可能阻碍这些空隙逃逸的途径。通过提供更多的焊料,在焊点完全坍塌之前,空隙可能会在金属基质周围逸出。N0D电子头条

 N0D电子头条

包装密度N0D电子头条

 N0D电子头条

当探索支座材料的填充密度时,对于每个整个预制件厚度,分别检查SM和LM之间的空隙差异。这里的结果不太清楚。对于0.016“ - 和0.010”厚的预制件,填充密度不会显着影响空隙性能。对于0.012“厚度,SM产品在统计上优于LM。基于这些结果,不能最终确定包装密度是否影响排泄。数据表明,这个因素最多只是排尿的一个非常小的因素。N0D电子头条

 N0D电子头条

支架厚度N0D电子头条

 N0D电子头条

在这种情况下,对于每个预制棒厚度,将LM04与LM08进行比较。对于每个预制件厚度,较高的间距(08)总是导致统计上显着较高的空洞。这也可以相对于阻止空隙逸出的固体支座材料来解释。由于08材料较厚,因此与04材料相比,嵌入预制件中的支座金属总体积更大。更多的固体材料有可能阻碍空隙逸出熔融焊料的能力。N0D电子头条

 N0D电子头条

通量百分比N0D电子头条

 N0D电子头条

基于氧化物去除和挥发的化学性质,预计更多的通量将导致更多的空洞。基本上,当产品经过回流焊时,焊剂会去除金属表面上的氧化物。氧化物去除过程会产生一些蒸汽。N0D电子头条

 N0D电子头条

此外,助焊剂中还含有非活性成分,这些成分在高温下也会挥发。助焊剂的这两个属性都可能导致蒸汽陷入熔融焊料中。然而,本研究中的工作没有显示1%和2%通量之间的任何显着差异。只能推测,1%的通量差异可能不足以影响排尿。这是一个可以进一步开展工作的领域。N0D电子头条

 N0D电子头条

焊点联合线研究结果摘要N0D电子头条

 N0D电子头条

从以前的工作中已知,增强的焊料预成型件可通过提供一致的焊点粘合线来帮助提高焊点的可靠性。从最近的研究中获得的新数据表明,可以调节预制棒的最终厚度,支座材料的填充密度和支座的厚度,以影响焊点中的空隙量。通过对增强型预制棒的优化设计,很明显,该技术可以生产高可靠性,低空洞的焊点,而不会产生额外的工艺步骤,如引线键合缝合,以控制焊料的坍塌。N0D电子头条

 N0D电子头条

参考N0D电子头条

 N0D电子头条

1.J. Booth,et al。“减少基板倾斜并改善IGBT模块中AlN衬底和AlSiC基板之间的键合线控制的新技术”,PCIM 2016.该数据首次在2017年2月6日至9日在美国夏威夷考艾岛举行的SMTA泛太平洋微电子研讨会上发布。N0D电子头条