用于模块-散热器连接的高可靠性预成型焊片

功率模块可分为两类：框架式模块(使用填充硅凝胶的塑料外壳作为封装材料)和传递模塑模块(TMM，使用环氧模塑料(EMC)作为封装材料)。

后者是电动汽车(EV)牵引逆变器的成熟选择 [1]。将TMM可靠且经济高效地连接到散热器是电动汽车牵引逆变器组装中的关键工艺。

市场上存在几种连接方式：使用银或铜烧结膏的大面积烧结(LASi)、使用无铅低熔点焊料预成型片的大面积焊接(LASo)，或基于聚合物的热界面材料(TIM)。

大面积烧结主要用于对热性能和可靠性要求最高的高端应用。大面积焊接则在成本、良好热性能和可靠性之间提供了良好的折衷。

一种结合低熔点焊料合金和基于真空/甲酸的焊接工艺的LASo工艺，能够实现几乎无空洞、低成本且高可靠性的焊点。合金系统的选择必须确保其液相线温度较低，从而与EMC兼容，EMC的典型玻璃化转变温度(Tg)在180°C至200°C之间 [2]。

如果在组装过程中超过EMC的Tg，其热膨胀系数会显著增加，这可能在组装过程中损坏功率模块并导致其失效。

因此，必须格外谨慎地选择合适的焊料合金并采用恰当的焊接技术，以避免EMC与功率模块发生分层。

在本研究中，将基于模拟和实验数据展示Innolot® 焊料合金系列，特别是Innolot2.0的优势。

Innolot2.0™ 合金系统 – 适用于LASo的成本优化焊料合金

要成功实施LASo工艺，合金系统的液相线温度应尽可能低，以限制高温焊接工艺对封装体造成的应力，从而避免内部EMC分层。此外，合金系统必须表现出足够的可靠性(即抗蠕变性能)，并且价格合理(即银含量)。表1对几种可用的焊料合金系统进行了简要比较。

表1

Innolot(此处记为Innolot 1.0)是锡-银-铜体系中一种众所周知的合金，通过少量添加镍、锑和铋来提高蠕变强度 [3]。其熔点范围较低(206-218°C)且蠕变强度提高，这使得Innolot成为大面积焊接工艺的良好候选材料。

然而，Innolot 1.0的银含量为3.8 wt%(重量百分比)，这增加了整体合金的贵金属成本。受市场需求驱动，贺利氏电子开发了一种新型的基于SAC的合金，采用不同的添加剂，且银含量显著降低，该产品已商业化，名为Innolot 2.0 [4]。

其略高的熔点范围(212-222°C)仍远低于SnSb5的熔点范围(228-243°C)，这使得Innolot 2.0成为将TMM连接到散热器的成本优化选择。Innolot 2.0的主要优势在于其银含量极低，仅为1.5 wt%。贺利氏电子提供带材和预切割预成型片形式的Innolot 1.0和Innolot 2.0合金。

图1

优越的蠕变性能和更高的可靠性

通过材料表征、模拟和热冲击测试，证实了其优异的蠕变性能及其对热冲击性能的影响。图1显示了使用Garofalo定律拟合的表1中四种合金在应力作用下的二次蠕变速率(仅显示T=100°C时的数据)。完整的材料模型可应要求提供。Innolot系列在最高应力下表现出最低的二次蠕变速率，这表明其在最终应用中具有最高的可靠性，因为蠕变是导致焊料合金退化的主要因素。

利用现有的材料数据，对四种合金在热循环条件下进行了热机械有限元模拟(FEM)。模拟模型如图2左侧和中间图所示。在模拟中，AMB基板通过100 µm厚的焊料层焊接到铝制散热器上，并用EMC进行模塑封装。

在模拟中，组件在-40°C至+125°C的温度范围内循环，保载时间为30分钟。选择每次热循环的应变作为损伤参数来比较四种合金。图2(右图)显示了四种合金在每个半桥内每次循环应变的对比热图。

图2

可以清楚地看到，与Innolot系列相比，SAC305和SnSb5表现出更高的每周期应变。此外，最高的每周期应变(损伤)出现在模块边缘。基于模拟，Innolot合金在热循环过程中的分层现象应少于SAC305或SnSb5。

此外，由于SnSb5的熔融温度范围比Innolot高，仅SnSb5的焊接过程就可能损坏EMC/AMB界面。FEM模拟未涵盖此影响。使用300 µm厚的焊料层重复了模拟研究，每周期应变显著减少。因此，焊料层厚度是影响焊点可靠性的另一个因素，但也影响成本。

热冲击试验证实了模拟的发现。为此，将裸AMB基板(0.3 mm Cu / 0.32 mm Si3N4 / 0.3 mm Cu)焊接到镀镍的铜芯基板(厚度3 mm)上。每个AMB的焊接面积为27 x 38 mm²。

使用PINK vadu 200焊接设备，在真空/甲酸环境下，使用300 µm厚的合金预成型片对组件进行焊接。在本研究中，各个组件未进行模塑。在热冲击(-40°C / +125°C)前后，均拍摄了扫描声学显微镜(SAM)图像，如图3所示。

图3

SAC305在1000次循环后显示出严重的退化。SnSb5在组件边缘显示出轻微的分层，这与模拟预期相符。Innolot 2.0仅在其中一个组件上显示出轻微的分层，而Innolot 1.0则完全没有可见的分层。实验热循环结果证实了我们的模拟结果。

图4

结论

Innolot 1.0和Innolot 2.0是经过验证的低熔点但高可靠性的合金。我们基于材料表征、模拟和实验的研究结果总结于图4。Innolot 1.0和Innolot 2.0均可作为单独的预成型片或带材在市场上购得。