功率模块焊接材料及应用介绍

本文将聚焦近年来大热的功率模块焊接问题。

功率模块方面，各大品牌厂商的型号林林总总，但总体形式一般都基于IGBT单管或模块或增加控制电路再并联或串联封装成模块等形式。芯片基础材料涵盖了所有功率技术——硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料。

以常见的IGBT模块封装形式为例，其结构中以直接键合铜陶瓷板（DBC）为基础，其上通过焊料焊接IGBT及FWD芯片和互联引脚。芯片上需要进行铝线/铝带键合。DBC底部焊接导热基板或直接连接于散热器。表面封装后就是IGBT模块的完整形式。

对于高铅锡膏，从行业经验看Pb(92.5%)Sn(5%)Ag(2.5%)合金具有很好的可靠性。

组成成分方面，Pb易与Sn形成良好的共晶，进而形成可靠的焊点，焊点具有延展性，但其湿润性能不足。Sn组分扮演活性金属的角色，易与铜/镍/银框架形成金属间化合物（IMC），能够增强合金的焊接性。Ag组分通常形成针状AgSn结构，其有利于提高焊接界面机械强度，起到加强合金微观结构的作用。

而且，高铅合金的熔化区间温度（280 ~ 310°C）较高，这意味着其形成的焊点能够承受较高的再熔温度，有利于多次焊接中梯度温度窗口的形成，同时具有更好的高温环境耐受能力。

此外，高铅合金优异的焊接可靠性和抗疲劳能力，也是其经久不衰、始终活跃在可靠焊接领域的原因。另外，锡膏在功率器件中的应用包括钢网印刷和点锡两种工艺，需要不同的锡膏产品适配。

对于无铅焊料，目前贺利氏电子也已开发出全方位适配的产品，其中包括典型的SnAg3.5、SnAgCu、SnSb、Innolot® 和  HT1 (贺利氏专利合金) 合金系列产品。

标准粉径：3号、4号粉。合金以Sn为主体，Cu组分有利于形成CuSn颗粒状晶相结构和金属间化合物（IMC），增强焊接强度，以及平衡基板中铜向焊料内部的快速扩散，减低柯肯达尔空洞的发生（如图5）。Sb组分可溶于锡，有利于增加焊接界面可靠性，提高合金熔化温度窗口。

SnAg3.5合金锡膏可应用于中、高压模块：由于无Cu，其形成的焊点更软，具有更好的抗蠕变变形（抗剪切开裂）能力，有利于不同CTE 材料变形时内应力的释放。SnAgCu合金锡膏是较成熟的无铅合金焊料，可满足低压或中压模块的应用场景。SnSb合金锡膏适用于中、高压模块，具有优秀的抗疲劳性能和较好的工艺操作性。

这里重点介绍一下 HT1合金锡膏，其在使用陶瓷基板或直接键合铜陶瓷基板(DBC)的应用中，能显著提高焊接可靠性。其目标工作温度最高可达175°C，而作为对比，SAC无铅焊料不建议超过125°C。与陶瓷电路相关的主要失效问题之一是Ag基界面溶解到焊料中，也称为Ag浸出。随着Ag慢慢地溶解到焊点中，银锡金属间相变厚，并能使焊点发生脆性（如图6）。

其次，HT1合金能显著提高焊接可靠性（如图8）。HT1合金优异的性能主要得益于Sn、Ag、Cu、In 以及结晶促进剂的专利配方成分，对标准SAC合金进行了改性，合金中添加了铟和特殊的晶体改进剂。铟有助于抑制浸出过程，晶体改性剂有助于形成结晶核，形成小的星形晶体（如图7）。其可以控制和减少金属间相，特别是AgSn相的生长。

1. 焊片搭配助焊剂型号推荐: SF64

2. Innolot™合金特性可参考《高可靠性焊接材料INNOLOT合金的性能及应用》。