瞬态电压抑制二极管焊接空洞分析
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摘 要：由于焊接空洞对瞬态电压抑制二极管的可靠性有很大的影响，尤其是对产品的瞬态脉冲功率影响尤为严重，本文对焊烧空洞的产生原因进行了分析。焊接空洞的产生大致有以下几个因素：焊接温度-时间曲线、焊料、焊接气氛等，并提出了改进意见。
关键词：焊接空洞；焊接温度-时间曲线、焊料；焊接气氛
引言
随着现代科技的发展，半导体器件和组件在工程、商业上得到了广泛应用。在雷达、遥控遥测、航空航天等的大量应用对其可靠性提出了越来越高的要求。而因芯片焊接不良造成的失效也越来越引起人们的重视，因为这种失效往往是致命的，不可逆的。
我公司的瞬态电压抑制二极管为功率器件，功率器件单位体积内的功耗很大，由此带来的芯片热失效和热退化现象突出，有资料表明，器件的工作温度每升高10℃，其失效率增加1倍。因此了解并分析掌握器件的热特性，不仅可以指导功率器件封装设计，同时对提高功率器件的可靠性具有非常重要的意义。
国外研究人员曾对芯片焊接层在功率循环载荷下的变化及其与热阻的关系进行了研究， 7000个循环后， 出现40%～50%的空洞面积，导致器件热阻增加1/2。同时对空洞与热阻进行研究， 热阻随着随机小空洞的体积线性增大， 随着连续大空洞的体积指数级关系增大。本文将分析空洞对瞬态管的影响及其产生机理，分析结论对芯片焊接工艺提出改善建议。
1 芯片焊接中的空洞
我们使用我公司研制生产的瞬态电压抑制二极管（主要用于电路中的过压保护）进行研究，芯片表面进行化学镀镍，镍层厚度在1μm～1.5μm，焊层为PbSnAg焊料，用低温成型炉在氢气的保护下（温度为320℃～350℃）实现芯片和底座、组件的焊接，焊料在液态下与组件和芯片镀金层之间充分浸润，形成金属间化合物，从而在三者之间形成良好的电连接和机械连接。
由于芯片焊接工艺受多种工艺因素影响，在焊接过程中容易形成空洞，芯片焊接空洞率可以通过X射线照相检验出来，图1是用X射线检测空洞的结果，检测结果显示空洞率（空洞面积与芯片面积之比）为20%以上。
图1 X射线检测图
2 器件的散热机理
功率器件封装后，在筛选过程中芯片产生的热量主要通过芯片焊接层散热到底座和组件，然后再传递给封装外壳，此时一部分直接释放到空气中，还有一部分是通过与器件相连的散热器带走。器件内部各种材料之间通过传导方式传热，以我公司生产的金属封装瞬态电压抑制二极管为例说明，器件在工作时，芯片是整个封装体的唯一热源，而芯片产生的热量必须通过铅锡焊接层向外传递给电极片（铜片），再向内引线组件和管座传递，最后通过管壳释放到空气中，这是器件热量传递的主要途径。芯片产生的热量是否能及时的传递出去，将直接影响功率器件的可靠性，换言之焊层是否能将芯片产生的热量及时大量的带走，将直接影响功率器件的可靠性。因此焊层的质量对整个功率器件的的性能具有非常重要的意义。
3 空洞形成机理分析
芯片焊接工艺中的焊层空洞严重影响着器件的可靠性能， 会导致接触电阻过大和散热性能差， 降低器件的可靠性， 如焊层的老化、金属间化合物的生长和分层， 最终导致芯片破裂。焊层空洞使封装体热阻增大， 也会引起器件电学参数的漂移，如导通电阻增大和阈值电压漂移， 同时造成器件安全工作区严重缩小。芯片焊接工艺常在焊层产生空洞缺陷， 以我公司生产的金属封装瞬态电压抑制二极管为例说明其主要形成机理有：（1）我们使用的焊料为铅锡焊料， 铅锡焊料中一般含有一些挥发性的物质（主要为有机物）。高温下焊料熔化应尽可能地挥发使焊料均匀成型， 但工艺的实际温度曲线和焊接工艺速度等必须与焊料的性能吻合， 这样才能保证焊层中的空洞较小， 否则就会有大量的气泡在有机物挥发后仍存在焊料中直至焊料冷却成型。（2） 组件或底座上存在氧化物或有挥发性的物质， 也会使焊层形成气泡而产生空洞，尤其是铜材料，很容易被氧化而在焊层产生空洞， 这主要是由于氧化物的存在降低了焊料在铜片中的浸润能力造成的。在工艺过程中要通入足够量的N2、H2混合气体，保护铜片和焊料不被氧化。
4 焊接改善建议
根据对芯片焊接层可靠性的分析，并结合空洞形成机理， 对我公司生产的金属封装瞬态电压抑制二极管的芯片焊接工艺提出如下改善建议：（1）在芯片贴上焊料前， 焊料的分布必须均匀平整且与芯片的形状一致， 而且焊料面积一般为芯片面积的1.2倍（理论数据）。控制焊料分布的平整程度能严格控制空洞率。芯片边缘位置的焊层受热应力较大，应该使焊料面积稍大于芯片面积， 让更大体积的焊料来分担热应力， 从而减小单位体积的热应力， 提高因材料热失配导致的疲劳失效。（2） 工艺过程中要适当选取被挤出焊料的量，使焊层的厚度在温度、热阻、热应力和整体封装厚度之间得到优化与平衡。
结论
本文主要针对芯片焊接中的空洞，从理论的角度上分析功率器件封装中的芯片焊接焊层对器件可靠性的影响，并分析了功率器件在工作过程中是散热机理，分析结果显示，空洞的存在阻碍了功率器件散热，从而影响了器件的可靠性；另外从工艺的角度分析空洞的形成机理，它将指导我们下一步的工作：（1）在装架时必须使焊料均匀分布且平整；（2）论证焊料和芯片的面积比例；（3）对正在使用的焊料、焊接温度曲线、焊接过程气氛控制等一切可能引起空洞产生的因素，都将严格控制，尽可能的减少空洞率，从而提高功率器件的可靠性。
参考文献
[1] BREEMS L J， DIJKMANS E C， HUIJSING H. A quadrature data dependent DEM algorithm to improve imagerejection of a Complex modulator [ C]// Proc of ISSCC. San Francisco，CA， USA， 2001： 48 49.
[2] KATSIS D C， van WYK J D. Void induced thermal impedance in power semiconductor modules： some transient temperature effects [J].IEEE Trans on Industry Applications， 2003， 39 （ 5） ： 1239 1246.
[3] FLEISCHERA A S， CHANG L， JOHNSON B C. The effect of die attach voiding on the thermal resistance of chip level packages [J] . Microelectronics Reliability， 2006， 46 （ 5？？6） ：794 804.