[发明专利]一种预测IGBT模块在回流焊工艺中变形量的方法

说明书

本发明提供一种预测IGBT模块在回流焊工艺中变形量的方法。本发明包括如下步骤：根据应用需求初选基板、焊料和DBC衬板的材料和几何特征；对基板的拱面进行面形测量；检测元件的材料性能；初选回流焊工艺基本设置条件并进行IGBT模块的回流焊工艺；记录各元件回流焊中的温度变化情况，检测模块回流焊工艺后的变形量和应力值，对焊料进行探伤；基于获取的数据建立热应力分析仿真模型并校准参数设置；对回流焊过程分析，得到IGBT模块基板在回流焊工艺中的变形量以及各元件的残余应力；使用得到的仿真模型对实际工艺进行指导。本发明对IGBT模块在回流焊工艺中的变形及残余应力的分析预测十分准确可靠，有利于预测并控制焊接变形及残余应力对整个封装结果的影响。

技术领域

本发明涉及IGBT模块回流焊技术领域，尤其涉及一种预测IGBT模块在回流焊工艺中变形量的方法。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，即绝缘栅双极型晶体管，是一种复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件，具有自关断的作用。广泛应用于家电、飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的CPU。如图1所示，IGBT模块封装结构中主要包括IGBT芯片、续流二极管芯片(FWD)、键合线、导电端子、直接覆铜陶瓷板(DBC)、焊接层、基板、散热器、硅胶和封装壳体等。将芯片连接在直接覆铜陶瓷板上可以有效的减小封装体积，使得结构紧凑。基板与DBC下铜层通过回流焊连接，形成用于支撑形成的芯片-DBC连接整体，并作为散热通道与散热器进行连接。最后采用高温环氧树脂作为涂胶并用硅凝胶对模块进行密封以保护整个封装结构。

回流焊是将膏状或片状软钎焊料置于待焊接元器件之间，然后使全部组件的温度超过焊料熔点温度后再冷却，以实现表面组装元器件焊端之间机械与电气连接的软钎焊。IGBT模块一般使用回流焊进行封装，封装过程中，由于各元件的热力学性能存在差异，产生变形和应力不可避免。而较大的变形和应力会影响模块的性能和寿命，故预测电子器件在回流焊中的变形量就很有必要。

在封装结构中，IGBT散热基板是保证IGBT模块正常工作的关键部件。其作用在于导出模块工作时产生的热量，使芯片结温处于适宜范围，故一般选择综合性能较好的铜或者铝碳化硅复合材料作为基板材料，以保证模块稳定工作，延长其使用寿命。散热基板也是回流焊过程中变形最大的元件，且基板的变形及残余应力亦会影响其余元件的变形，这些变形会对导热硅脂的涂敷以及模块的散热性能造成直接影响。为尽量抵消此变形产生的影响，如图2a、b所示，大功率IGBT模块多采用下表面为拱形或上下表面均为拱形的封装基板，以保证回流焊工艺之后的基板满足残余拱度小于50μm的封装需要，但这无疑也给变形的预测增加了难度。

调查显示，约55％的电子器件失效是由于散热及相关问题导致的。而散热系统的评价指标一般有：基板回流焊后的面形及残余应力、焊料的残余应力等，基板焊接后的残余拱度在50μm之内即满足要求，而基板和焊料的残余应力则应该尽量减小。

传统预测IGBT模块在回流焊工艺中变形量的方法主要为三坐标测量法和有限元仿真法。三坐标测量法即在一批IGBT模块中随机抽取若干，在回流焊前后分别对抽取出的基板的带拱度表面进行面形扫描，然后对得到的数据进行分析，求得基板的变形量，并借此预测整批工件的变形量。此方法周期长、成本高，且在焊料或基板材料需要更换时，采样点位置以及测量方式都必须随之变化，不具普适性；且该法只能检验变形量，缺乏对回流焊后基板残余应力的评估。

另一方面，目前应用的有限元仿真法存在诸多不足之处。首先，在建立CAD模型时，往往忽略基板的初始拱度建模，对于小功率无预翘曲类型的IGBT模块求解可满足基本要求，而大功率IGBT模块求解时会直接影响求解的精度。