摘要：封装对于 IGBT 模块至关重要，是实现模块中电气互连，保护芯片不受外界环境影响保持良好电气性能的必要手段。IGBT 模块的可靠性很大程度上取决于封装质量，而 IGBT封装中的封装材料、封装结构及封装工艺都是影响 IGBT 模块封装质量的关键因素。IGBT模块

封装对于 IGBT 模块至关重要，是实现模块中电气互连，保护芯片不受外界环境影响保持良好电气性能的必要手段。IGBT 模块的可靠性很大程度上取决于封装质量，而 IGBT封装中的封装材料、封装结构及封装工艺都是影响 IGBT 模块封装质量的关键因素。IGBT模块失效是模块在运行过程中，由于热量积累而又得不到良好的散热，导致热量持续对模块进行热量冲击，从而引发模块的封装出现疲劳，尤其是键合和焊接部分，由于是通过外来步骤将其焊接到一起，因而在温度冲击下容易开裂而失效。因此，IGBT 模块的关键工艺是真空烧结和粗铝丝键合，也是整个模块封装工艺的难点，本文研究的重点为真空烧结技术。

真空烧结工艺的实质就是通过一个合适的温度曲线使得焊膏与焊接金属之间形成IMC（金属化合物）的过程，因此一个合适的温度曲线直接影响焊接质量。温度曲线的研究对 IGBT 烧结工艺的质量及封装可靠性具有重要意义。一般而言，焊膏厂推荐的回流温度曲线是经过大量实验验证能够得到较好 回流焊接质量的温度曲线，但是由于封装结构以及封装工艺条件的影响，使得焊料层经历的温度曲线与推荐设定的温度曲线存在偏差，从而难以得到理想的焊接质量，此外对于一些特定工艺需要在保证焊接质量情况下需要一定程度改变温度曲线，这些都会导流温度曲线的变化。因此，对 1200V IGBT 模块烧结工艺的温度曲线进行探究确有必要。

4.2 封装过程

IGBT 模块组装工艺方案要充分考虑 1200V IGBT 大功率模块的特点，整体的工艺设计方案如下：沿用硅片+ DBC 基板+Cu 底板的封装形式，结合真空烧结、铝丝键合和超声键合等工艺，形成一套完成的封测工艺。模块采用二次烧结互连，先将芯片和 DBC 基板高温真空烧结，用 X 光检测单个气孔空洞率低于 1 %及总空洞率低于 3 %，再整体低温焊接到Cu 基板上，焊接层再次用 X 光检测，在单个气孔空洞率低于 1 %及总空洞率低于 3 %后转入下序。烧结之后进入键合工艺，目前常用的键合方式为铝丝键合和铜丝键合两种，铜丝键合对设备和工艺要求高，键合压力大，热压过程中易损伤芯片，成品率低。除英飞凌和富士电机等的最新模块采用铜丝键合工艺外，其余成熟的 1200V 产品均使用粗铝丝键合，因此继续沿用铝丝键合工艺，并对键合完成的样品进行拉力抽测。

1200V IGBT 大功率模块包括主电极端子和控制端子，尽量增加端子和 DBC 基板的接触面积能减少漏电感和引线电阻。引线端子通过第二次焊接可实现端子和 DBC 金属化层之间的连接，降低了接触电阻，能够承受更大的力学冲击和振动。键合完成后进行动静态参数测试及模块外壳安装，进行灌封前多余物检查，用硅凝胶进行模块灌封，最后安装上盖和进行全性能参数测试。

1200V IGBT 大功率模块的封装工艺主要有芯片烧结、基板烧结、功率端子超声焊接、引线键合、灌封、测试等步骤，具体步骤如图 4.1 所示。

4.3 真空烧结工艺

4.3.1 真空烧结工艺要求

真空烧结技术为封装关键技术，烧结质量将直接影响器件的导热性能和机械性能，空洞、焊料层厚度不一致等问题会直接导致温度场分布不一致。焊料层抗剪能力差，进而直接影响器件的使用寿命，一个好的焊接层需要有以下几个条件：

（1）烧结层空洞少，空洞率低于 3%；

（2）烧结后焊料层较平，一致性好；

（3）界面 IMC 层厚度合理，焊料耐循环性能好

烧结过程是一个复杂的化学变化，因此需要在其中添加有助于烧结的各种化学物质去帮助烧结过程的顺利进行。在烧结过程中由于焊料的挥发会造成烧结的缺陷，这些缺陷的结果就是会在焊料中形成气泡，这些气泡在烧结后就会形成空洞。空洞对模块的可靠性影响非常大，由于模块各个部分的热膨胀系数不一致，在正常工作过程中会使空洞进一步扩大，在日积月累下这些空洞会连到一起造成焊料的两部分脱焊，使模块失效。同时，当模块的空洞扩大到一定程度，也会影响模块的散热性能，使模块的热分布不均匀，局部点可能出现极大的热量，从而损坏模块。典型空洞缺陷如图 4.2 所示。

如果焊料层倾斜，在焊料层较薄的一边在长时间使用过程中，局部位置会发生应力集中，产生微裂纹，裂纹扩展至整个焊料层会导致焊料层脱落，引发失效，而烧结过程中焊料的高度无法通过工装等限制，只能通过调整焊片厚度及芯片加压大小，需根据不同的芯片尺寸及 DBC 基板进行调整，因此真空烧结为本课题封装方面关键技术之一。真空烧结所使用的仪器为德国的 PINK VADU 100 型真空钎焊机，如图 4.3 所示。

4.3.2 真空烧结工艺流程

真空烧结工艺分为两次进行,第一次真空烧结是将 IGBT 芯片、FRD 芯片与 DBC 基板进行焊接,IGBT 芯片、FRD 二极管由于通过电流较大，工作时发热量大,散热需求高，因此需要焊接在 DBC 基板上，为了更好的将芯片所产生的热量通过 DBC 基板传导散热，芯片与 DBC 基板之间需要实现低孔洞率焊接,因此,需要优化真空烧结工艺方法和温度曲线。另外,模块的 DBC 基板表面通常是整块大面积覆铜,覆铜区域包括了两种芯片的焊接区和键合区,但是芯片焊接区和键合区没有明确界定范围,因此,需要通过计算和试验验证确定芯片焊接区和键合区,根据验证结果设计定位加压工装,对芯片焊接位置进行精确定位,保证产品的焊接质量和一致性。第二次真空烧结是将 DBC 基板与底板进行焊接, IGBT 芯片、FRD 二极管产生的热量传导至 DBC 基板进而通过铜底板进行散热,因此,两者之间的焊接也需要确保低空洞率。具体流程如下：

（1）首先将空气抽出形成真空，然后冲入氮气，然后进行升温到 150℃，保持 1000mbar标准大气压，保持 10 秒后进行第二步。触发条件为温度，如图 4.4 所示。

（2）第二步持续保持温度 150℃，而后进行抽真空，将大气压下降为 1mbar，保持 15s后进行第三步。触发条件为压强，如图 4.5 所示。

3）第三到六步为甲酸还原步骤，首先第三步继续保持温度为 150℃，通入甲酸至900mbar 大气压，当甲酸浓度达到 900mbar 之后进行第四步。触发条件为压强，如图 4.6所示。

（4）第四步保持上面条件，通入氮气，使压强达到 980mbar 大气压，达到后保持 50s后进行下一步。触发条件为压强，如图 4.7 所示。

（5）第五步升温，将温度升为 220℃，并将持续冲入氮气至 1000mbar，当温度达到条件之后保持 150s 为，然后进行下一步。触发条件为温度，如图 4.8 所示。

（6）第六步继续升温至 335℃，当温度达到条件之后保持 90s，之后进入下一步。触发条件为温度，如图 4.9 所示。

（7）第七步还原反应完成后，进行抽真空操作，将温度升为 340℃，而后将甲酸抽出，使气压变为 3mbar（真空状态），抽成真空后保持 90s 后进行下一步。触发条件为压强，如图 4.10 所示。

（8）第八步充氮气至 980mbar，温度保持在 340℃不变，压力值达到指定数值后保持 60s，触发条件为压强，如图 4.11 所示。

（9）第九步保持温度为 340℃，抽真空至 3mbar，保持 90s，然后进行下一步。触发条件为压强，如图 4.12 所示。

（10）最后一步充氮气至 980mbar，恢复炉内压强，温度保持在 340℃不变，当压强达到指定值时保持 120s 后结束烧结，托盘退至冷却室，冷却时间设置为 900s，进行换气操作，焊接完成，如图 4.13 所示。

4.3.3 真空烧结工艺难点

IGBT 芯片采用 DBC 基板进行烧结，DBC 基板表面铜层根据设计电路要求制作铜层图形，但不进行阻焊处理，芯片与 DBC 基板烧结过程中如不进行限位控制，容易出现芯片位置偏移、芯片旋转或翘曲等问题，造成芯片烧结质量不合格，影响后续键合工艺，因此需对烧结过程芯片与基板的相对位置进行控制，为烧结工艺过程的工艺难点之一。

拟采用设计烧结工装进行芯片限位，采用石墨进行加工，保证烧结过程中工装不发生挥发，不产生多余物污染芯片表面，同时保证烧结过程中工资不发生变形，不会造成芯片机械损伤，同时工装的设计不能影响芯片传热，确保烧结过程的可靠性。

4.4 烧结温度曲线

4.4.1 温度曲线的定义

温度曲线使烧结过程中真空钎焊机按照规定的步骤进行烧结的依据，目的是使烧结更加稳定可靠，焊料在发挥焊接过程中需要通过升温从固态变为液态，而后通过降温从液态变为固态，经过这个过程后就会将焊料两边的部分焊接到一起，同时由于焊料的材料成分不同，因此所需要的温度就不同，各个阶段所需要的温度也不同，这个焊料发挥作用的这个阶段就叫做温度曲线。这个阶段一般分为四个阶段：预热阶段、还原阶段、烧结阶段和冷却阶段[52]。如图 4.14 所示为的烧结温度曲线。

1）预热阶段，这个阶段是每个烧结过程的第一个阶段，在这个阶段要将烧结炉的温度从室温提高到焊料可以和甲酸发生反应的温度，这个阶段也叫做升温阶段。这个阶段时间需要严格控制，因为过快或者过慢的升温速度都会对模块的烧结质量形成较为严重的影响，过快的升温速度会对芯片形成热量冲击，从而造成芯片提前受到较大的热应力，增加模块失效的可能性，而较慢的升温速度又会影响焊料从固体变为液体的过程，可能会影响焊料的匀称，使烧结的质量大为降低，因此需要探索去设置一个合适的升温速度。

（2）甲酸还原阶段，在这个阶段温度需要保持一定的时间不变，从而使甲酸完成和焊料进行充分反映，将芯片、基板、底板和焊料上的氧化物进行完全反应，尽量去除各种氧化物对烧结质量的影响，从而去提高模块的封装质量，因此选择一个合适的甲酸还原时间和在这个时间内的温度大小十分重要。

（3）烧结阶段，这个阶段使整个烧结过程的最主要阶段，是焊料充分发挥作用的阶段，在这个阶段需要严格把控温度，使焊料从固态变为液态，再从液态变为固态，同时保证模块的各个部分稳定，不会遭受较大的热量冲击而损坏，因此选择一个合适的烧结峰值温度和这个峰值温度的持续时间对于烧结阶段举足轻重。

（4）冷却阶段，在这个阶段基本上真个烧结过程已经结束，这时就需要将模块整个降温至常温，这个降温速率和升温速度的要求一样，不应该过快或者过慢，过快可能会导致焊料层变形或者脱层，过慢又会降低焊接强度，可能会形成较大的空洞。降温时间一般选择为 900s，在这个时间下焊料基本可以保持最完好的状态完成烧结整个过程。

4.4.2 温度曲线的设置依据

IGBT 模块烧结温度曲线的设置不是简单的设置，而是要经过一系列试验和科学分析后的结果，需要尽可能保证模块的可靠性。设置依据如下：

（1）首先就是要根据所选择的焊料成分的不同而选择不同的温度曲线，因为不同的焊料中各个成分的含量不同，因而在与甲酸发生还原反应过程中的条件就不同，这就要求我们需要根据焊料与甲酸还原的不同灵活的设置温度曲线。

（2）其次温度曲线的设置还要考虑焊料和基板和底板的焊接反应。焊接的实质就是焊料与焊层之间形成金属氧化物的过程，而这个金属氧化物成分的稳定性就直接决定焊接的质量，因此温度曲线的设置还要考虑这个金属氧化物形成的质量。

（3）各个 IGBT 模块的结构不同，所需要的温度曲线的设置也一定是不同的。不同的 IGBT 模块的基板和芯片的位置不同，在烧结过程中所受到的热应力也一定不同，因此为保证模块在烧结过程中热量分布均匀，使模块的可靠性尽可能地提高，因此，需要根据所烧结模块的结构不同合理的调节温度曲线。

（4）最后由于烧结过程基本选择的都是二次烧结，即 DBC 与铜基板之间的烧结和芯片与 DBC 基板之间的焊接，按照这两部分烧结过程的不同，需要设置合理的温度曲线保证两次焊接过程互不影响。

4.5 不同温度曲线下模块空洞率情况

4.5.1 空洞率的影响

IGBT 模块在焊接过程中，在不同的温度曲线作用下，在不同的结构和材料选择作用下，一定会形成不同的烧结缺陷，这些缺陷就是各种烧结空洞，因此空洞的出现在所难免。并且其产生原因多种多样，其存在会直接影响 IGBT 模块的散热，进而造成模块某些区域的温度高于其他区域，增加失效的几率。

常见空洞的类型有两种，一种为气泡型一种为未润湿型，由于其产生的原因不同，造成的影响也不一样。气泡型空洞的特征是焊接层有较多的空洞，但是每个空洞的尺寸较小，在焊接层中不规则分布在整个焊接层[53]。其形成的原因为在烧结过程中，由于焊料在甲酸还原过程中没有充分和甲酸发生还原反应，造成有部分氧化物存在，或者在还原过程中甲酸与氧化物放应生成了水蒸气没有得到良好的散发，导致水蒸气在烧结后停留在了焊料中，从而形成空洞。另一种空洞类型为为浸润性空洞，这种空洞的特征和气泡型正好相反，它的空洞尺寸大，基本占据整个烧结界面，使焊料层两端基本没有烧结到一起，基本没有形成金属氧化物。这种空洞形成的原因为在烧结过程中，烧结峰值保持时间太短，焊料成为液体时没有充分流经整个焊料层，导致只有很少一部分可以烧结形成金属氧化物，或者在甲酸还原过程中，基板和底板上的氧化物杂质没有去除干净就开始烧结，导致在形成金属氧化物过程中仍然有大量的氧化物杂质存在，影响了烧结的质量和可靠性。

当形成空洞后，IGBT 模块的整体性能会变差，包括散热性能和机械性能。这是因为当模块的焊接层有空洞存在时，由于空洞中存在的是空气，在模块升温过程中会对影响模块的热量分布，使部分区域的热量积累，当积累到一定程度后就会对模块的稳定性形成影响，甚至会烧毁模块，造成不可挽回的损失。因此在进行 IGBT 烧结过程中，必须注意保证每一步都做到完美可靠，做到每一步都尽量减小模块空洞率的影响。

4.5.2 不同温度曲线烧结工艺结果

对于 IGBT 封装工艺的烧结工艺而言，选择一个合适的温度曲线至关重要，真空烧结工艺的实质就是通过一个合适的温度曲线使得焊膏与焊接金属之间形成金属化合物的过程，温度曲线的研究对 IGBT 烧结工艺的质量及封装可靠性具有重要意义。一般而言，焊膏厂推荐的回流温度曲线是经过大量实验验证能够得到较好 回流焊接质量的温度曲线，但是由于封装结构以及封装工艺条件的影响，使得焊料层经历的温度曲线与推荐设定的温度曲线存在偏差，从而难以得到理想的焊接质量，此外对于一些特定工艺需要在保证焊接质量情况下需要一定程度改变温度曲线，这些都会导流温度曲线的变化。因此，对 1200V IGBT 模块烧结工艺的温度曲线进行探究确有必要。本次设计选择的烧结方式为二次烧结，即芯片与 DBC 和底板与 DBC 进行两次烧结，为了尽可能提高可靠性，本文烧结环境选择单一气体。

4.5.2.1 甲酸还原时间对空洞率的影响

为了验证 N2-HCOOH 气氛对焊膏致密化行为的贡献，本节研究了 N2-HCOOH 和N2 气氛中 150s 到 360s 不同还原时间条件下的烧结行为，其中 N2 气氛用作比较烧结气氛。不同甲酸还原时间和空洞率对应如下表 4.1 所示，结果如图 4.15 所示。

图为不同还原时间下 IGBT 模块的空洞率情况，可以看出随着还原时间的增加，空洞率变小。烧结过程中第一步是对烧结箱中的气体进行单一化处理，即排除空气充满氮气，以防止在烧结过程中由于空气中氧气的作用使芯片等氧化。在气体单一化处理后需要进行甲酸还原步骤，这一步骤的目的是使模块在烧结前去除模块中氧化物的影响，使焊料在融化后可以尽可能充满焊料层，当时甲酸还原过程需要一定的时间，假如时间不足就会造成较大的空洞率。随着还原时间的增加，IGBT 焊接的效果会越来越好。随着还原时间的增加，空洞率逐渐降低，但在 150s 到 300s 降低速率较快，在 300s 到 360s 降低速率较慢。因此本模块的甲酸还原时间选择为 300s 左右，作为最优还原时间。

4.5.2.2 甲酸还原温度对空洞率的影响

为了验证 N2-HCOOH 气氛对焊膏致密化的影响，本节研究了 N2-HCOOH 和 N2 气氛中焊膏在 180℃到 250℃条件下的烧结行为，其中 N2 气氛用作比较烧结气氛。不同还原温度下的 IGBT 空洞率情况如下表 4.2 所示，结果如图 4.16 所示。

上图为不同还原温度下 IGBT 模块的空洞率情况，可以看出随着还原温度的增加，空洞率逐渐降低。这是因为当温度为 180℃时，N2-HCOOH 气氛中的焊料润适度较低，容易形成大空洞。但是随着温度的提升，焊料的融化程度会增加，会更大限度的铺满焊料层。在真空甲酸还原气过程中，不是越高越好，当温度达到一定程度时，增加幅度会变小，甚至可能会起到反作用而增加空洞，因此在烧结本模块过程中应选择 220℃左右的还原温度。

4.5.2.3 加热温度峰值对空洞率的影响

影响烧结质量的不只有甲酸的因素还有温度的因素，尤其是峰值温度的影响。本节研究了峰值温度对 IGBT 模块空洞率的影响，选取了 250℃到 390℃不同情况下对 IGBT 模块的影响。下图为不同加热峰值温度和 IGBT 模块空洞率的对应如下表 4.3 所示，结果如图 4.17 所示。

在烧结箱中，温度在各个部分的分布是不同的，温度低的地方焊料的润适度不够，流动性不好，温度高的地方润适度足够，流动性较好，甚至可能无法形成金属化合物。因此一个合适的温度峰值可以尽可能去除这些影响，使各个部分的热量都足够使焊料融化。但是峰值温度又不是越高越好，过高的峰值温度甚至有反作用，加速焊料间的氧化，造成模块提前失效。由于模块的烧结方式采用的是二次烧结，即需要进行两次烧结。因此，合理的控制烧结温度对烧结结果的影响很重要，因此就需要一个合理的温度峰值，经过试验可知 350℃左右的加热温度峰值是最合适的峰值温度，可以最大限度提高模块可靠性。

从上图可以得出结论，当峰值温度时间不同时，焊层的空洞率也会随之变化，且变化速率由快到慢，这说明峰值温度时间并不是越快越好，而是应该选择一个合适的定值。由上图可以看出，随着时间增加，空洞率最高为 5.23%，最低为 0.55%。这说明当峰值温度时间在 350s 左右时，烧结效果最好。造成这种结果的原因与焊料层的润适度有关，由上面测试结果可知，焊料层的焊膏有固定的熔化温度，当温度不足时焊料层会始终保持固态，当温度到达融化点时焊膏会变为液态。但是焊膏由固态变为液态需要一定的时间，当时间不足时会存在固态和液态共存的情况，这时候如果停止加热会造成焊料润适度不够和造成空洞率较大的结果。因此在烧结过程中应选择一个合适的峰值温度时间，确定一个最优的温度烧结曲线，经过测试可以看出 350s 左右的峰值温度时间是最合适的。

IGBT 模块的封装对于 IGBT 模块的可靠性至关重要，一个好的封装可以是实现模块中电气互连，保护芯片不受外界环境影响，进而保证良好电气性能，使模块的使用寿命更长可靠性更好。封装质量是 IGBT 模块的可靠性的决定因素，而 IGBT 封装中的封装材料、封装结构及封装工艺都是影响 IGBT 模块封装质量的关键因素。本节首先详细介绍了IGBT 模块的封装过程，为后面研究烧结工艺提供理论基础。接下来介绍了真空烧结工艺的要求、流程和难点，真空烧结技术为封装关键技术，烧结质量将直接影响器件的导热性能和机械性能，空洞、焊料层厚度不一致等问题会直接导致温度场分布不一致。其中影响烧结质量的关键因素为烧结温度曲线的设置，因此本届的重点就是研究不同温度曲线下对模块可靠性的影响。不同温度对模块可靠性影响的表现主要体现在空洞率的大小上，空洞存在会降低 IGBT 模块的可靠性和寿命。后面进行了不同温度曲线对烧结工艺的影响实验，不同的温度曲线主要包括甲酸还原时间不同、甲酸还原温度不同、加热温度峰值不同和峰值温度时间不同。本节分别研究了上述不同情况下对模块的空洞率的影响，通过对结果的对比可以选择出一条最合适的温度曲线，最终的结果确定为甲酸还原时间为 290s，甲酸还原温度为 220℃，加热温度峰值为 340℃，峰值温度时间为 350s。按照上面设置温度曲线，并进行多次烧结验证可以得知，使用该温度曲线可以最大限度地降低本模块的空洞率，提高模块可靠性和使用寿命，验证了烧结工艺优化的合理性。

来源：半导体封装工程师之家一点号