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1. 引言

　　新型功率半導(dǎo)體器件模塊(以下簡(jiǎn)稱功率模塊)產(chǎn)品(如IGBT、MOSFET)是目前國(guó)際上發(fā)展最迅速、用途最廣泛的功率半導(dǎo)體模塊。作為電力電子節(jié)能技術(shù)的核心器件，現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于輸變電(智能電網(wǎng)等)、冶金(高中頻爐等)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)(變頻器等)、軌道交通(高鐵、輕軌、地鐵等)、大功率電源(電焊機(jī)、開關(guān)電源等)、環(huán)保節(jié)能新能源領(lǐng)域(電動(dòng)汽車及太陽(yáng)能、風(fēng)電等)及節(jié)能家電產(chǎn)品(如空調(diào)機(jī)、電冰箱等)等各個(gè)領(lǐng)域，市場(chǎng)前景十分廣闊。

　　隨著模塊功率密度加大和集成化程度的不斷提高，對(duì)焊接質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，對(duì)于大功率焊接型模塊來(lái)說(shuō)，高功率、大電流、多芯片焊接技術(shù)及其焊接質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)尤其重要，因此功率模塊的焊接已成為功率模塊封裝的核心技術(shù)，無(wú)損檢測(cè)成為關(guān)鍵檢測(cè)工藝。作者根據(jù)多年來(lái)對(duì)“真空+氣體保護(hù)”功率模塊焊接及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究，在提高功率模塊焊接質(zhì)量方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

　　2. 常用焊接工藝簡(jiǎn)介

　　2.1 熱板焊接工藝

　　熱板焊接可分為不帶箱體的平板式熱板焊接工藝和帶恒溫箱體的熱板焊接工藝，其中后者的恒溫效果更好。熱板焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，以往常應(yīng)用在一般硅器件的焊接。由于該工藝焊接質(zhì)量難以保證，現(xiàn)已被淘汰，僅在少數(shù)小工廠中使用。

　　2.2 回流焊接工藝

　　回流焊接工藝一般指在鏈?zhǔn)綘t上實(shí)施的焊接工藝，通常是在氮?dú)饣驓涞旌蠚怏w保護(hù)下，多采用膏狀焊料，能夠滿足一般硅整流器件或其模塊的焊接質(zhì)量要求，有效焊接面積達(dá)到85%以上。由于其非常適合大規(guī)模批量化的生產(chǎn)要求，因而在八十年代和九十年代初被廣泛采用，但由于爐帶輸送的“抖動(dòng)”易使焊料結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生“位錯(cuò)”和由于氧化、氣泡造成焊接“空洞”等焊接質(zhì)量問(wèn)題，不適用于新型功率半導(dǎo)體器件的焊接�！拔诲e(cuò)”會(huì)造成焊接層的電及機(jī)械性能下降�！翱斩础眲t會(huì)降低模塊的電及熱傳導(dǎo)性，使有效導(dǎo)電、散熱面積減少、熱阻增加，導(dǎo)致熱點(diǎn)的產(chǎn)生，降低了模塊的可靠性。

　　2.3 真空焊接工藝

　　真空技術(shù)是幫助液態(tài)焊料去除空洞的可靠方法。真空焊接工藝是指在可以抽真空的箱式焊接爐中實(shí)施的焊接工藝，通常采用膏狀焊料，有效的避免了鏈?zhǔn)綘t運(yùn)行中爐帶抖動(dòng)所導(dǎo)致得焊料“位錯(cuò)”引起的焊接不良問(wèn)題。通過(guò)抽真空排除氣泡，從而減少了焊接“空洞”的產(chǎn)生，提高了焊接質(zhì)量。對(duì)于宜于實(shí)施膏狀焊料焊接工藝的可控硅等半控器件來(lái)講，有效焊接面積可達(dá)95%-99%，是一種較為理想的焊接方法。但由于需要清洗殘留助焊劑，易引起二次沾污和氧化，對(duì)于需要二次鍵合工藝的IGBT、MOSFET模塊，則效果不太理想。

　　2.4 “真空+氣體保護(hù)”焊接工藝

　　該工藝是在真空焊接工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由美國(guó)GE公司首先提出，并被應(yīng)用于航天、航空等軍工器件的焊接上。從九十年代初開始應(yīng)用于工業(yè)級(jí)半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中。由于該工藝同時(shí)采用了“靜止”焊接、“氮?dú)狻北Ｗo(hù)、“真空”除氣泡和“H氣體”除氧化助焊等多種焊接工藝，具有較為理想的焊接效果，而且由于具備了免清洗特點(diǎn)，更適用于IGBT、MOSFET等全控器件的生產(chǎn)，是目前國(guó)際上先進(jìn)的焊接工藝。新佳電子公司目前正使用這種焊接工藝并研發(fā)出自己的“ZKH+H”焊接工藝軟件，效果好。本文將在第二節(jié)中重點(diǎn)介紹該工藝。

　　3. “真空+氣體保護(hù)”焊接工藝

　　3.1 工藝原理

　　通常情況下，影響焊接質(zhì)量的最主要因素是焊接“空洞”，產(chǎn)生焊接空洞的原因：一是焊接過(guò)程中，鉛錫焊膏中助焊劑因升溫蒸發(fā)或鉛錫焊片在熔化過(guò)程中包裹的氣泡造成焊接空洞。而真空環(huán)境可使空洞內(nèi)部和焊接面外部形成高壓差，壓差能夠克服焊料粘度，達(dá)到釋放空洞的效果;二是焊接面的不良加濕所造成的焊接空洞，一般情況下是由于被焊接面有輕微的氧化造成的，這包括了由于材料保管的不當(dāng)造成的部件氧化和焊接過(guò)程中高溫造成的氧化，即使真空技術(shù)也不能完全消除其影響。在焊接過(guò)程中適量的加入氫氣或N2+HCOOH助焊氣體可有效地去除氧化層，使被焊接面有良好的浸潤(rùn)性，加濕良好�；谏鲜鲈�，經(jīng)過(guò)多年的探索，“真空+氣體保護(hù)”焊接技術(shù)現(xiàn)已成為高功率、大電流、多芯片功率模塊封裝焊接工藝的最佳選擇。

　　該焊接工藝升溫時(shí)利用高純氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接組件不被其氧化。到達(dá)焊接溫度時(shí)利用高純氫氣或N2+HCOOH助焊氣體對(duì)焊接表面進(jìn)行還原清洗，去除氧化物，使焊接表面具有良好的浸潤(rùn)性。再利用真空技術(shù)將焊接面內(nèi)的氣泡排除，保證焊接面內(nèi)無(wú)空洞，焊接面有良好的歐姆接觸。最后采用可程控的冷卻方式，獲得被焊接面的最佳電氣及機(jī)械性能。全過(guò)程在具有程控加熱、冷卻、真空、充氣功能的真空倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行。

　　3.2 工藝特點(diǎn)

　　通常情況下，功率模塊焊接的工藝原理是基本相同的，但對(duì)于不同用途的功率模塊，其電路拓?fù)洳煌�，�?nèi)部的芯片的數(shù)量、電流大小和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，使用的焊料不同，因而其具體的焊接工藝參數(shù)是不盡相同的，本文僅就作者從事IGBT模塊的焊接工藝研究工作中所掌握的情況概括地?cái)⑹鲆幌�，僅供參考。具體的參數(shù)值應(yīng)在具體的工藝試驗(yàn)中確定。

　　影響焊接質(zhì)量的主要因素有元器件和零部件表面狀態(tài)、焊接材料性能以及焊接工藝條件等，本文重點(diǎn)討論焊接工藝條件。主要工藝條件包括工藝溫度、真空度、升溫速率、降溫速率，恒溫時(shí)間、保護(hù)氣體的種類及純度等。正確的設(shè)置這些參數(shù)是保證焊接質(zhì)量重要前提。工藝參數(shù)的設(shè)置與工藝設(shè)備直接相關(guān)。下面我們介紹兩種“真空+保護(hù)氣體”焊接工藝：

　　3.2.1 單真空倉(cāng)工藝

　　圖3.1 “ZKH+H”焊接工藝曲線示意圖

　　圖3.1是我們公司自行研發(fā)的“ZKH+H”焊接工藝示意圖，顯示了“真空+氣體保護(hù)”焊接工藝的參數(shù)設(shè)置及工藝過(guò)程。對(duì)溫度、真空度、升溫速率、降溫速率和恒溫時(shí)間的工藝參數(shù)設(shè)置，確定焊接氣體的性質(zhì)、流量、濃度、溫度、混合比例，和廢氣的無(wú)害化排放處理、安全模式等方面，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。我公司用了多年時(shí)間進(jìn)行了大量試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)首家在IGBT模塊項(xiàng)目上成功運(yùn)用該工藝，使公司在大面積、高功率、多芯片的新型功率半導(dǎo)體模塊的焊接技術(shù)工藝上走向了行業(yè)前列。通過(guò)程序控制，該工藝可在具備上述工藝條件的單真空倉(cāng)設(shè)備上進(jìn)行，工藝過(guò)程在《電力半導(dǎo)體功率模塊焊接工藝的探討》1一文中已有介紹，本文不再續(xù)述。其工藝特點(diǎn)如下：

　�、磐ㄟ^(guò)氮?dú)馇逑�、氫氣保護(hù)焊接、真空排除氣泡、助焊氣體提高焊料浸潤(rùn)性，從而達(dá)到最佳的焊接效果(無(wú)孔洞焊接)。

　�、剖褂酶邷睾附硬牧希訌�(qiáng)產(chǎn)品抗熱疲勞能力，提高可靠性。

　�、呛附颖砻娓叨葷崈�，免清洗，粗鋁絲鍵合穩(wěn)定可靠。

　�、褥o止焊接，冷卻速率可控，實(shí)現(xiàn)焊料最佳結(jié)晶效果，達(dá)到良好的電、熱及機(jī)械特性。

　　3.2.2 多真空倉(cāng)工藝

　　單真空倉(cāng)工藝設(shè)備的工藝過(guò)程簡(jiǎn)單實(shí)用，但工藝周期較長(zhǎng)。目前，國(guó)外一家公司推出了三倉(cāng)結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)備，預(yù)熱、真空焊接和冷卻分別在三個(gè)工作倉(cāng)內(nèi)完成，具有獨(dú)立加熱板和冷卻板，且分別保持恒溫狀態(tài)，不必每次都由室溫大幅度變化到焊接溫度，焊接時(shí)間和設(shè)備耗能均有所下降，適用于聯(lián)線生產(chǎn)，使生產(chǎn)速率倍增。

　　圖3.2 國(guó)外某公司推薦的典型焊接溫度工藝曲線圖示意圖

　　從圖3.2可以看出，由于工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)原因，工藝溫度梯度較為明顯，溫度上升及下降曲率有較寬的調(diào)整范圍，恒溫區(qū)可以做的較為平坦。圖3.3是其用于加熱和冷卻過(guò)程中具有較陡梯度的溫度的工藝曲線例圖，模塊重量為1000克，工藝時(shí)間為4分鐘。

　　圖3.3 大功率IGBT模塊焊接工藝曲線

　　表3.1是設(shè)備生產(chǎn)公司推薦的一種工藝溫度參數(shù)表，在實(shí)際工藝中，由于使用焊料熔點(diǎn)、是否含鉛、使用助焊方法以及助焊劑成分的不同，工藝參數(shù)的設(shè)置及工藝曲線有較大的差別，最佳的工藝參數(shù)需要在實(shí)踐中試驗(yàn)確定。我們的經(jīng)驗(yàn)是，適當(dāng)?shù)奶岣叻逯禍囟纫约皽p慢冷卻速度可獲得更好的焊接效果。

　　表3.1 工藝溫度參數(shù)表

　　工藝參數(shù)含鉛焊接工藝無(wú)鉛焊接工藝

　　溫度平均增加率(Tsmax-Tp)最大 3℃/Sec最大 3℃/Sec

　　預(yù)

　　加

　　熱最低溫度Tsmin

　　最高溫度Tsmax

　　時(shí)間Ts100℃

　　150℃

　　60-120秒150℃

　　200℃

　　60-180秒

　　保持

　　時(shí)間溫度TL

　　時(shí)間tL183℃

　　60-150秒217℃

　　60-150秒

　　峰值/規(guī)定溫度TpTL+5℃TL+5℃

　　溫度保持在峰值溫度的時(shí)間tp10-30秒20-40秒

　　降溫速率最大6℃/Sec最大6℃/Sec

　　25℃至峰值溫度的時(shí)間最長(zhǎng)6分鐘最長(zhǎng)8分鐘

　　3.3 應(yīng)注意的問(wèn)題

　　3.3.1 焊接工藝的選擇

　　模塊的焊接工藝通常分為使用膏狀焊料的“濕式”焊接工藝和使用焊片的“干式”焊接工藝，由于濕式焊接工藝完成后的半成品必須進(jìn)行清洗，而清洗效果直接影響模塊的質(zhì)量，尤其對(duì)于需要鋁絲鍵接工藝的IGBT模塊，影響不容忽視。對(duì)于表面鈍化稍有缺陷的芯片(玻璃鈍化層上的微小裂紋)，清洗的“殘留物”會(huì)進(jìn)一步破壞鈍化層，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成產(chǎn)品提前失效。因而，IGBT模塊等新型功率半導(dǎo)體模塊的生產(chǎn)多采用干式焊接工藝，即免清洗工藝。我們公司所采用“ZKH+H”工藝屬于這種工藝，其焊接完成的半成品表面非常潔凈，不需要進(jìn)行清洗。

　　雖然干式焊接工藝的焊接質(zhì)量較高，但其對(duì)工藝條件的要求也較高，例如工藝設(shè)備條件，工藝環(huán)境的潔凈程度，工藝氣體的純度，芯片、DBC基片等焊接表面應(yīng)無(wú)沾污和氧化情況，焊接過(guò)程中的壓力大小及均勻性等，要根據(jù)實(shí)際需要和現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)選擇合適的焊接工藝。

　　3.3.2 升溫速率

　　升溫過(guò)程中，應(yīng)特別注意在焊料趨于熔化時(shí)的升溫速率，在到達(dá)這個(gè)關(guān)鍵溫度點(diǎn)附近時(shí)，要將升溫速率降下來(lái)，盡量避免或減小芯片的竄動(dòng)。這對(duì)于“濕式”焊接工藝尤為重要，在到達(dá)100℃附近時(shí)，如升溫速率過(guò)高，膏狀焊料中溶劑的氣體蒸發(fā)就會(huì)過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致“火山效應(yīng)”，從而影響焊接質(zhì)量。

　　3.3.3 真空度及真空速率

　　真空對(duì)減少焊接空洞非常有利，真空度的高低對(duì)焊接空洞率的影響較大，據(jù)德國(guó)PINK公司介紹，真空度對(duì)焊接空洞的影響如表3.2：

　　表3.2 真空度對(duì)焊接空洞率的影響表

　　序號(hào)真空(mbar)空洞率(%)

　　11013.2543

　　24010

　　356

　　413

　　表中的數(shù)據(jù)表明，不采用真空的焊接工藝將可能產(chǎn)生高達(dá)43%的空洞。圖3.4是用剝離檢查(撕裂)方法看到的可控硅模塊焊接空洞的圖片，從圖片上可以看到焊接面上分布著大量的空洞，這也印證了上述說(shuō)法。

　　圖3.4 非真空焊接工藝剝離圖片

　　采用真空焊接工藝后，隨著真空度的提高，焊接空洞在逐漸減少，從表中看出，真空度≤1mbar時(shí)，空洞率可減少到3%以下，達(dá)到了很好的焊接效果。作者認(rèn)為，除非特殊要求，1mbar真空度就可以滿足模塊的焊接質(zhì)量要求，不必追求太高的真空值。圖3.5是采用真空焊接工藝完成的焊接效果圖片，焊接過(guò)程中的真空度達(dá)到1mbar。

　　圖3.5 真空焊接工藝剝離圖片

　　同時(shí)，還應(yīng)注意在上條所述的關(guān)鍵溫度點(diǎn)實(shí)施真空工藝時(shí)，要限制真空速率，使氣泡得到軟釋放，避免由于氣泡的硬釋放造成器件的竄動(dòng)從而影響焊接質(zhì)量。

　　3.3.4 冷卻速率

　　在冷卻過(guò)程中，要注意焊料結(jié)晶點(diǎn)附近的冷卻速率，較緩慢的冷卻速度可以獲得最佳結(jié)晶效果，達(dá)到良好的電、熱及機(jī)械特性。

　　4. 焊接效果的檢測(cè)分析

　　焊接質(zhì)量的檢查方法一般有兩種：非破壞性和破壞性檢查。其中，廣泛使用的非破壞性檢查方法有外觀目測(cè)檢查、電氣性能檢查、X光射線檢查和超聲波掃描顯微鏡檢查。破壞性檢查主要為剝離檢查，電鏡掃描檢查等。

　　4.1 目測(cè)檢查

　　目測(cè)檢查是目前仍在廣泛使用的常規(guī)焊接質(zhì)量檢測(cè)方法，主要是使用肉眼或低倍數(shù)的顯微鏡，從外觀上檢查焊接處焊料潤(rùn)濕狀態(tài)。

　　4.2 電性能測(cè)試

　　由于焊接不良，減小焊接面積，會(huì)增大接觸電阻和散熱熱阻，通常用專門的壓降和熱阻測(cè)試設(shè)備來(lái)測(cè)試。例如IGBT模塊，可以通過(guò)測(cè)量器件的飽和壓降Vce(sat)來(lái)間接檢測(cè)芯片與DBC、電極間的焊接質(zhì)量，如果檢測(cè)的結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，則可能存在著虛焊或較大的焊接空洞。批量生產(chǎn)的在線測(cè)試常用這種方法。

　　4.3 剪切力測(cè)量

　　剪切力測(cè)量是剝離檢查方法的一種，是常用的檢驗(yàn)芯片與基片間焊接質(zhì)量的方法，可以直觀的觀察到的焊接面狀況，由于它具有破壞性，一般僅用于不良焊接的分析。

　　4.4 X光射線檢查和超聲波掃描顯微鏡檢查

　　對(duì)于焊接質(zhì)量的檢查，傳統(tǒng)的檢測(cè)是進(jìn)行全動(dòng)態(tài)功率測(cè)試，既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)大量的電力，檢測(cè)結(jié)果精度低又不直觀，需要了解焊接缺陷的位置、形狀及大小時(shí)還需進(jìn)行破壞性的解剖分析，同時(shí)不能精確的知道缺陷的面積的大小，不利于規(guī)�；a(chǎn)。

　　X光檢測(cè)適用于檢測(cè)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性情況，比如 IC 集成電路內(nèi)部的金線分布等。超聲波掃描顯微鏡更適用于檢測(cè)芯片與基底之間粘接層的缺陷或其他界面之間的缺陷。因其性能各有千秋，互相補(bǔ)充，規(guī)模大的生產(chǎn)廠家同時(shí)擁有這兩種設(shè)備。

　　4.4.1 X光射線檢查

　　當(dāng)X射線穿透被測(cè)模塊時(shí)，由于被測(cè)模塊內(nèi)部材料、密度和厚度的差別，致使它被吸收的程度不同，所以到達(dá)增強(qiáng)屏的X射線量出現(xiàn)差異，在增強(qiáng)屏就形成黑白對(duì)比不同的影像，通過(guò)CCD和采集卡進(jìn)行圖像采集分析處理，就得到一個(gè)清晰的圖像。

　　X射線檢查在半導(dǎo)體器件的典型應(yīng)用是BGA焊接質(zhì)量的檢測(cè)，例如BGA的虛焊、開路和連錫等。如圖4.1-1、圖4.1-2和圖4.1-3。

　　圖4.1-1 虛焊 圖4.1-2 開路 圖4.1-3 連錫

　　目前，隨著X光機(jī)的功能的不斷增強(qiáng)和圖像清晰度的提高，在新型電力電子模塊的檢測(cè)中的應(yīng)用逐漸增多，例如SCR、FRD、VDMOS、IGBT等模塊。

　　4.4.2 超聲波掃描顯微鏡檢查

　　超聲波掃描顯微鏡檢測(cè)方法的理論依據(jù)是不同介質(zhì)的界面具有不同的聲學(xué)性質(zhì)，反射超聲波的能力也不同，利用專用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)反射波進(jìn)行分析，當(dāng)超聲波遇到缺陷時(shí)會(huì)在屏幕上顯示投射面積和缺陷相近的圖像，因此就可知空洞的大小和所在位置。在生產(chǎn)過(guò)程中，該技術(shù)可以隨時(shí)監(jiān)控和檢查焊接質(zhì)量，可精確分析焊接缺陷的位置、形狀、面積的大小和形成缺陷的可能原因，控制產(chǎn)品質(zhì)量。在新產(chǎn)品研制時(shí)，可以在第一時(shí)間分析了解產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、知道設(shè)計(jì)焊接工藝的結(jié)果，加快新產(chǎn)品的研制速度。目前，超聲波掃描顯微鏡的性能頗佳，大多具備如下掃描模式：

　　A-掃描是超聲波最基本掃描形式。

　　B-掃描相當(dāng)于觀察樣品的橫截面，可以用來(lái)確定缺陷在縱向方向上的位置和深度。

　　P-掃描相當(dāng)于多次的B-掃描，可以用來(lái)確定缺陷在縱向方向上的位置和深度。

　　C-掃描相當(dāng)于觀察樣品的剖面，通過(guò)時(shí)間窗口的選擇可以確定剖面的位置和寬度，并將窗口選擇在所需觀察的界面位置，從而得到缺陷的數(shù)量和外形尺寸。

　　X-掃描相當(dāng)于多次等分的不同層面C-掃描，通過(guò)一次掃描的方式得到多個(gè)不同深度位置的圖像，適合與多層結(jié)構(gòu)的器件檢測(cè)。

　　G-掃描和X-掃描一樣，所不同的只是用戶可以根據(jù)樣品的情況將每個(gè)掃描層面設(shè)置為不同的掃描參數(shù)，如其位置、寬度等。

　　D-掃描結(jié)合了B-掃描和C-掃描的功能，為斜對(duì)角掃描模式，適用于觀察相對(duì)于表面傾斜的內(nèi)部界面樣品，或用于在一個(gè)掃描圖像中觀察整個(gè)樣品的多層結(jié)構(gòu)。

　　Z-掃描模式是將A-掃描、B-掃描、P-掃描、C-掃描、X-掃描等掃描模式通過(guò)一次性的掃描完成，可以用于重建樣品內(nèi)部的三維圖像，或作為標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)保留。

　　S-掃描是在樣品底部加裝一個(gè)接收探頭，在做C-掃描的同時(shí)進(jìn)行透射T-掃描，可以用來(lái)確認(rèn)C-掃描圖像中的無(wú)法判明的缺陷。

　　3D-掃描模式是將反射波的強(qiáng)度、時(shí)間作為深度信息，反映出樣品內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)，可選擇的深度參考信號(hào)有：反射信號(hào)最大幅值peak、平均幅值mean或時(shí)間time。

　　4.4.3 檢測(cè)實(shí)例

　　在實(shí)際模塊產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)實(shí)踐中，超聲波掃描顯微鏡和X光射線檢測(cè)技術(shù)被我們大量地應(yīng)用在功率半導(dǎo)體模塊的無(wú)損撿測(cè)中。下面列舉幾個(gè)實(shí)際檢測(cè)的案例。

　　實(shí)例1：DBC焊接組件

　　圖4.2-1是由第三方隨機(jī)抽取的IGBT半成品的DBC組件樣片，使用美國(guó)產(chǎn)UHR-2000超聲波掃描顯微鏡設(shè)備的掃描圖像。圖4.2-2中紅色圓圈中的影像點(diǎn)即為焊接空洞。

　　圖4.2-1 DBC組件 圖4.2-2 掃描圖像

　　從圖4.2-2中可以看出，芯片底部有微小的焊接空洞存在。

　　實(shí)例2：IGBT成品模塊

　　對(duì)于成品模塊的掃描，由于模塊較厚，加之電極和鍵接鋁線的遮擋，在正常放置位置上很難取得清晰的掃描圖像。早在2006年,經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的艱苦研究，我們公司國(guó)內(nèi)首家采用“反轉(zhuǎn)掃描法”解決了這一難題。下圖是使用美國(guó)產(chǎn)UHR-2000超聲波掃描顯微鏡，對(duì)從市場(chǎng)上購(gòu)買的國(guó)外某公司生產(chǎn)的IGBT模塊掃描圖像，見圖4.3。

　　圖4.3 DBC上的焊錫層

　　該模塊在掃描前進(jìn)行了功率測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果合格。但從掃描圖像上可以看出，該模塊掃描圖像的層次較為清晰，焊接空洞清晰可見，主要集中在DBC與散熱基板之間的焊接層上，芯片與DBC的焊接空洞相對(duì)比較少一些，這就可以解釋功率測(cè)試尚可以合格的原因，但這種空洞會(huì)影響模塊的散熱效果，易造成模塊可靠性降低。

　　經(jīng)掃描檢查發(fā)現(xiàn)，在能夠通過(guò)功率測(cè)試的模塊中仍有一定比例的模塊不能通過(guò)超聲波掃描顯微鏡檢查，這樣的模塊如果使用到設(shè)備上，通常會(huì)提前失效，進(jìn)行超聲波掃描顯微鏡檢查，可有效地避免這種情況的發(fā)生。我們?cè)陔姾笝C(jī)上的試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)掃描檢查的模塊比僅經(jīng)過(guò)功率測(cè)試的模塊的可靠性高。

　　實(shí)例3：大功率水冷IGBT模塊

　　通常情況下，大多數(shù)的模塊在焊接、鋁線鍵接等工藝中產(chǎn)生的缺陷都可以通過(guò)超聲波掃描顯微鏡或X光機(jī)的檢查來(lái)發(fā)現(xiàn)，從而分析失效原因和剔除不合格品。但在某些情況下，可能其中一種方式會(huì)更加有效。例如對(duì)我們研發(fā)的一款3×800A的水冷汽車級(jí)IGBT模塊進(jìn)行焊接空洞掃描檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于受其氮化硅鋁底板的水冷錐體長(zhǎng)度的影響(如圖4.4-1所示)，超聲波掃描顯微鏡掃描檢查不能正常成像。我們改用高清晰度的X光機(jī)進(jìn)行檢查，獲得了清晰的圖像，焊接空洞清晰可見，見圖4.4-2。圖中灰色方塊分別是IGBT和FRD芯片影像，黑色圓點(diǎn)是氮化硅鋁底板水冷錐體的影像，箭頭所指白色區(qū)域是焊接空洞影像。

　　圖4.4-1 模塊底板圖 圖4.4-2 X光圖像

　　5. 結(jié)論

　　從以上論述可見，“真空+氣體保護(hù)”焊接技術(shù)現(xiàn)已成為高功率、大電流、多芯片功率模塊封裝焊接的最佳選擇。尤其適用于IGBT、MOSFET等場(chǎng)控型功率模塊。X光機(jī)和超聲波掃描顯微鏡檢測(cè)是目前理想的非破壞性檢測(cè)方法，可及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品焊接質(zhì)量隱患，避免批量不合格品的產(chǎn)生和減少產(chǎn)品可靠性隱患。

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