就组装功率器件的性能和持有成本而言，甲酸焊接能带来哪些优势?在本文的第一部分中，我们介绍了该工艺的基本原理;作为接下来的第二部分，本文将重点关注应用方面的考量，并深入探讨当前主流焊料替代方案(包括焊片和新兴的免清洗焊膏技术)的案例研究。

目标任务剖面(环境、电气和热工作条件)以及可靠性预期是封装设计中的关键考量因素。工程师们一方面试图通过突破器件的性能极限来尽可能榨取效率，但另一方面，成本同样重要，因为汽车、能源基础设施和工业领域所需的电气化转型必须依靠规模化生产来实现。

图1

市场上存在几种器件外形类型，例如：分立器件、模塑封装器件、基板器件和双面冷却器件。因此，每种类型都有其独特之处。然而，这些器件的基本构造或堆叠结构是共通的，无论器件类型如何，性能和成本因素都会影响封装材料的选择。

图2

每个界面——芯片顶部互连、芯片贴装、基板贴装、封装贴装——由于机械性能、散热性能和热膨胀系数(CTE)失配的不同，都会对功能性能施加独特的限制。相应的金属化选择也会直接影响焊料的可润湿性以及在甲酸/真空回流焊曲线中所需的配置参数(这对于成功焊接至关重要)。

例如，与铜或镀金/镀银表面相比，镍镀层的焊接工艺窗口通常较窄，可能需要延长甲酸浸泡时间以去除氧化物，从而实现有效的焊料润湿。表1总结了器件堆叠中使用的常见封装材料，以及在选择焊料合金和回流焊参数时必须考虑的约束条件。

焊料合金

关于焊料合金的选择，值得注意的是，没有一种单一的解决方案能够普遍满足所有的任务剖面和封装限制。因此，设计工程师在选择时必须权衡可加工性和性能两方面：

·金属化兼容性：影响润湿性、回流曲线配置参数以及甲酸焊接的工艺窗口。

·最小化空洞：以实现一致的热性能。

·工艺温度：可能影响器件封装中的敏感材料(如灌封材料)，或影响多次回流焊步骤中的可靠性。

·可靠性性能：考虑工作温度和任务剖面。

·环境可持续性：减少制造过程中铅的使用(无铅)。

图3列出了常用于甲酸焊接功率器件的合金：

图3

表1

焊片应用

焊片是根据特定尺寸定制的、由特定焊料合金制成的固体预制件，可以按照精确的尺寸生产，以密切匹配器件堆叠中的目标几何形状。对于甲酸焊接应用，焊片是纯金属的，不含助焊剂——这使得焊片成为大面积焊接(包括基板贴装和封装贴装)的明确选择，在这些应用中，空洞率和热性能是关键因素。此外，焊片可进行的工程定制能够精确调整焊料体积，并在大规模生产中保持一致性。

图4

虽然使用焊片进行甲酸焊接在性能、质量和可扩展性方面具有优势，但材料易受污染和过度氧化的弱点缩小了成功的工艺窗口，并对焊片的制造构成了挑战。为了说明这些挑战，本文将进一步探讨基板贴装应用。在这种情况下，焊接界面面积相对较大意味着有更大的表面积需要减少氧化，并且由于制造方法的原因，污染的风险也更高。表2显示了使用焊片进行甲酸焊接的常见失效模式以及相应的改进措施。

Indium Corporation 开发了专门用于甲酸回流焊的特种焊片，旨在最大限度地减少表面氧化和随时间推移的氧化增长，防止任何可能的污染，并延长保质期。如图5和图6所示，这种方法已被证明能够实现极低的空洞率，并保持稳定的保质期，从而实现持久的良好润湿性。

图5

图6

新兴的免清洗焊膏技术

传统的焊膏利用由松香、树脂和活性剂组成的助焊剂体系，既能在回流焊过程中减少氧化物，又能保持必要的流变性，以便通过印刷或点胶方式施加焊膏。在不需要助焊剂的甲酸回流焊环境中，传统焊膏中的这些成分会产生残留物，这些残留物可能污染材料完整性，并且通常需要焊后清洗。正在进行的免清洗焊膏创新已经产生了新技术，这些技术利用复杂的溶剂系统作为粘合剂，并添加触变剂，使得点胶和印刷成为可能，同时在回流焊后几乎不留下任何残留物。

图7

在回流焊过程中，免清洗焊膏粘合剂组分的蒸发是一个关键的设计特征，它有助于促进固体润湿性，并消除甲酸回流焊中的残留物。热重分析(TGA)是一种用于测量材料在受控气氛下质量随温度和/或时间变化的技术。图8中的对比图显示了与传统焊膏相比，免清洗焊膏在回流焊后无残留物的特性。

图8

这项技术为功率器件堆叠中的芯片和元件级焊接提供了令人信服的解决方案，可减少设备占地面积并改善空洞率，从而获得整体性能提升。我们进行了一项案例研究，以表征芯片贴装(10 mm x 10 mm, 5 mm x 5 mm)和元件贴装(即热敏电阻)的焊料润湿性、空洞率和分层情况，使用了开放式样品以及通过声学显微镜检查的加盖芯片样品。以下结果表明，免清洗焊膏具有良好的润湿性、一致的边缘质量和超低的空洞率。

图9

图10

此外，还进行了芯片剪切测试(一种常用于判断芯片贴装工艺质量的技术)，以比较使用甲酸回流焊的免清洗焊膏与传统标准高铅焊料在常规回流焊工艺下的典型键合强度值。芯片剪切测试在初始状态(回流焊后)、经过500次和1000次-65°C至150°C的温度循环后分别进行。

图11

图12

高铅焊料的典型芯片剪切强度值在20-40兆帕(MPa)之间，具体取决于表面处理或工艺条件等其他因素，而使用甲酸回流焊的免清洗焊膏也达到了这个水平。初始状态下的平均芯片剪切强度为31.7兆帕，500次循环后平均值为28兆帕，1000次循环后平均值为28.3兆帕。这表明，对于相同的合金体系，使用甲酸回流焊的免清洗焊膏的芯片剪切强度与传统回流焊的传统焊膏相当。

结论

甲酸焊接已从一个利基工艺转变为主流解决方案，尤其是在电力电子制造领域。它建立在三个支柱之上：

1.材料清洁度与堆叠设计 – 金属化以及表面氧化物/污染特性会影响工艺窗口。

2.回流焊工艺控制 – 仔细考虑影响甲酸活化活性、温度和真空度的因素。

3.焊料材料与质量 – 为甲酸焊接专门开发的材料可最大化良率并提升器件性能。

图13

凭借成熟的甲酸焊接工艺、经过验证的焊片解决方案以及新兴的免清洗焊膏技术，工程师们拥有了比以往更多的选择，来平衡未来功率器件设计的性能和持有成本目标。随着材料技术的进步，焊片和免清洗焊膏可以整合到同一个封装设计中。这为整个器件堆叠提供了一种完全免清洗的解决方案，从而在使用甲酸回流焊工艺时实现前所未有的灵活性和效率，助力开启下一代电力电子器件的大门。