隨著5G時(shí)代的到來，電子技術(shù)向著高功率、高密度和集成化的方向發(fā)展，對于大功率器件的封裝，如IGBT、MOS、大功率LED等，也相應(yīng)地對焊接材料提出了更高的、更全面的可靠性需求。其中，焊接空洞問題成為影響功率器件性能和可靠性的關(guān)鍵因素之一。真空回流焊技術(shù)作為一種先進(jìn)的焊接方法，在解決新型功率器件焊接空洞問題上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。本文將深入探討新型功率器件真空回流焊焊接空洞的成因、影響及解決方案。

一、新型功率器件真空回流焊焊接空洞的探析

（一）焊接空洞的成因

焊接材料中的揮發(fā)物

1. 在真空回流焊過程中，焊接材料如錫膏中的溶劑、活化劑等有機(jī)組分在加熱過程中會揮發(fā)產(chǎn)生氣體。如果這些氣體在焊料冷卻凝固前未能完全逸出，就會被“凍結(jié)”在焊點(diǎn)中，形成空洞。
2. 此外，焊膏中的活性物質(zhì)與被焊金屬表面的氧化物反應(yīng)生成的水汽，也是形成空洞的重要原因。

焊接工藝參數(shù)

1. 回流焊接過程中的溫度曲線設(shè)置不當(dāng)，如預(yù)熱時(shí)間不足、恒溫時(shí)間不夠或峰值溫度過高等，都會影響焊料中氣體的逸出，導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。
2. 焊接速度過快或過慢，也可能導(dǎo)致焊料中氣體逸出不均勻，形成空洞。
3. 基板與器件特性
   1. 基板吸潮、焊盤導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)不當(dāng)、焊盤表面化學(xué)處理方式不同等，都會影響焊料中氣體的逸出通道，導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。
   2. 新型功率器件如IGBT、MOS等，由于其芯片尺寸大、焊接面積大，給焊接材料中的揮發(fā)物揮發(fā)造成很大困難，進(jìn)一步增加了空洞產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

環(huán)境因素

1. 環(huán)境大氣壓的劇變對空洞的形成也有顯著影響。在回流焊接過程中，如果爐膛內(nèi)氣壓呈負(fù)壓狀態(tài)，有利于聚集在爐膛內(nèi)的揮發(fā)性氣體排出；否則，揮發(fā)性氣體排放不暢甚至堵塞而滯留在焊料球內(nèi)形成空洞。
2. 此外，環(huán)境溫濕度的變化也會影響焊料中氣體的逸出，導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。

（二）焊接空洞的影響

降低焊點(diǎn)可靠性

1. 焊接空洞會減小焊點(diǎn)的有效接觸面積，導(dǎo)致焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度下降、熱阻增大、電流通路減小，從而影響焊點(diǎn)的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。
2. 在溫度循環(huán)、振動等應(yīng)力作用下，空洞處容易產(chǎn)生裂紋和疲勞損傷，進(jìn)一步降低焊點(diǎn)的可靠性。
3. 影響器件性能
   1. 對于新型功率器件如IGBT、MOS等，焊接空洞會直接影響其散熱性能。散熱不良會導(dǎo)致器件工作溫度升高，從而加快器件的老化和失效速度。
   2. 空洞還會引起器件內(nèi)部的應(yīng)力集中和分布不均，影響器件的穩(wěn)定性和壽命。

二、新型功率器件真空回流焊焊接空洞的解決方案

（一）合金改進(jìn)

添加微量元素

1. 在焊料合金中添加微量元素如Mn、Ni等，可以改善焊料的合金性能、工藝性能和可靠性能。例如，通過添加Mn、Ni等元素，可以提高焊料的潤濕鋪展能力和抗氧化性，從而減少空洞的產(chǎn)生。
2. 此外，還可以添加In、Ga、P、Sb等微量元素，以增加合金的流動性和抗氧化性，進(jìn)一步降低空洞率。

控制合金粉的氧含量

合金粉的氧含量過高會導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生更多的氧化物和氣體，從而增加空洞的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要嚴(yán)格控制合金粉的氧含量，確保其符合焊接要求。

采用預(yù)制成型焊片工藝

1. 預(yù)制成型焊片相比錫膏具有更少的有機(jī)組分和更穩(wěn)定的性能，因此可以顯著降低空洞的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，預(yù)制成型焊片還具有操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種規(guī)格產(chǎn)品的焊接。

（二）改進(jìn)助焊膏

添加空洞抑制劑

1. 在助焊膏中加入空洞抑制劑如酸酐類物質(zhì)等，可以與焊接過程中生成的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而減少空洞的產(chǎn)生。例如，酸酐類物質(zhì)可以生成多元有機(jī)酸，繼續(xù)參與反應(yīng)去除焊料與被焊金屬表面的氧化物，減少水分對空洞的影響。
2. 優(yōu)化助焊膏成分
   1. 根據(jù)焊接材料和工藝要求，優(yōu)化助焊膏的成分和比例，如調(diào)整觸變劑、松香、活化劑和溶劑的含量和種類等，以提高助焊膏的潤濕鋪展能力和去除氧化物的能力，從而減少空洞的產(chǎn)生。

選擇高沸點(diǎn)溶劑

1. 在助焊膏中選擇高沸點(diǎn)溶劑可以防止在焊接過程中形成飛濺等現(xiàn)象，同時(shí)也有利于氣體的逸出和空洞的減少。

（三）優(yōu)化焊接工藝

合理設(shè)置回流曲線

1. 根據(jù)焊接材料和器件特性合理設(shè)置回流曲線，包括預(yù)熱時(shí)間、恒溫時(shí)間、峰值溫度和冷卻速率等參數(shù)。例如，在預(yù)熱階段應(yīng)確保焊料和器件溫度均勻上升；在恒溫階段應(yīng)給予足夠的時(shí)間讓焊料中的氣體充分逸出；在峰值溫度階段應(yīng)確保焊料充分熔化并形成良好的焊點(diǎn)；在冷卻階段應(yīng)控制冷卻速率以避免產(chǎn)生熱應(yīng)力。

采用真空回流焊工藝

1. 真空回流焊工藝在真空條件下進(jìn)行焊接，有利于焊料中氣體的逸出和空洞的減少。同時(shí)，真空回流焊還可以提高焊料的潤濕鋪展能力和焊接質(zhì)量。例如，通過精確控制真空度、抽真空時(shí)間、真空保持時(shí)間和常壓充氣時(shí)間等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低空洞率的批量生產(chǎn)。

PCB板防潮處理

1. 在焊接前對PCB板進(jìn)行防潮處理可以減少基板吸潮對焊接空洞的影響。例如，可以采用烘干、真空包裝等方法對PCB板進(jìn)行防潮處理。

優(yōu)化鋼網(wǎng)開孔方式

1. 根據(jù)焊接材料和器件特性選擇合適的鋼網(wǎng)開孔方式如田字、井字、斜型等或者幾種開孔方式相結(jié)合。通過優(yōu)化鋼網(wǎng)開孔方式可以提高焊膏的印刷質(zhì)量和一致性，從而減少空洞的產(chǎn)生。例如，采用“9宮”開口圖形可以增加芯片與焊膏間的排氣通道并改善芯片邊緣空洞。

錫膏使用時(shí)的管控

1. 在使用錫膏時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其使用時(shí)間、存儲條件和環(huán)境溫濕度等因素以避免錫膏受潮和性能下降。例如，建議常溫下使用時(shí)間不超過6小時(shí)以防止錫膏受潮。

三、案例分析

以IGBT模塊為例，其焊接空洞問題一直是影響其可靠性和性能的關(guān)鍵因素之一。通過采用真空回流焊工藝和上述解決方案，可以顯著降低IGBT模塊焊接空洞的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

合金改進(jìn)案例

1. 某企業(yè)針對IGBT模塊焊接空洞問題，通過在傳統(tǒng)無鉛合金中添加微量元素Mn、Ni等制備了新型焊料合金。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該新型焊料合金在焊接過程中表現(xiàn)出良好的潤濕鋪展能力和抗氧化性，顯著降低了空洞的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

改進(jìn)助焊膏案例

1. 另一家企業(yè)針對IGBT模塊焊接空洞問題，通過優(yōu)化助焊膏成分和添加空洞抑制劑等措施提高了助焊膏的性能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用改進(jìn)后的助焊膏進(jìn)行焊接的IGBT模塊空洞率顯著降低。

優(yōu)化焊接工藝案例

1. 某電子制造企業(yè)針對IGBT模塊焊接空洞問題，通過合理設(shè)置回流曲線、采用真空回流焊工藝和優(yōu)化鋼網(wǎng)開孔方式等措施提高了焊接質(zhì)量。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用優(yōu)化后的焊接工藝進(jìn)行焊接的IGBT模塊空洞率穩(wěn)定控制在較低水平且焊接質(zhì)量顯著提升。

四、結(jié)論與展望

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新型功率器件的應(yīng)用范圍越來越廣泛，對焊接質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高。真空回流焊技術(shù)作為一種先進(jìn)的焊接方法，在解決新型功率器件焊接空洞問題上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。通過合金改進(jìn)、改進(jìn)助焊膏和優(yōu)化焊接工藝等措施，可以顯著降低焊接空洞的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)并提高焊接質(zhì)量和可靠性。

未來，隨著材料科學(xué)和焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信會有更多創(chuàng)新性的解決方案涌現(xiàn)出來以解決新型功率器件焊接空洞問題。同時(shí)，也需要加強(qiáng)對焊接空洞問題的研究和監(jiān)測力度以確保新型功率器件的性能和可靠性滿足實(shí)際應(yīng)用需求。