1、2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第3期1摘要：目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料，为保证功率器件的长期使用，需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性，并探究其失效机理。采用Pb92.5Sn5Ag2.5作为SiC芯片和基板的固晶材料，探究温度冲击对固晶结构中互连层疲劳失效的影响。结果表明，温度冲击会促进焊料与SiC芯片背面的Ti/Ni/Ag镀层反应生成的块状Ag3Sn从芯片/焊料层界面往焊料基体内部扩散，而焊料与Cu界面反应生成的扇贝状Cu3Sn后形成的富Pb层阻止了Cu和Sn的扩散反应，Cu3Sn没有继续
2、生长。750次温度冲击后，焊料中的Ag与Sn发生反应生成Ag3Sn网络导致焊点偏析，性质由韧变脆，焊点剪切强度从29.45 MPa降低到22.51 MPa。温度冲击模拟结果表明，芯片/焊料界面边角处集中的塑性应变能和不规则块状Ag3Sn导致此处易开裂。关键词：SiC芯片固晶结构；高铅焊料；温度冲击；焊料组织演变中图分类号：TG405文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0001-05Abstract:At present,high-lead solder with high melting point is commonly used as the solder mater
3、ial of die attach structure for high-power SiC IGBT devices.In order to ensure the long-term use of power devices,it is necessary to study the fatigue reliability of high-lead interconnect solder under the condition of temperature shock,Pb92.5Sn5Ag2.5 is used as the interconnect layer material betwe
4、en SiC chip and substrate to investigate the effect of temperature shock on the fatigue failure of die attach structure.The results show that the temperature shock will promote the bulk Ag3Sn generated by the reaction between solder and Ti/Ni/Ag coating on the back of SiC chip to diffuse from the ch
5、ip/solder layer interface to the solder matrix,The Pb-rich layer formed after the reaction between solder/Cu interface to form the scallop Cu3Sn,which prevents the diffusion reaction of Cu and Sn,and Cu3Sn does not to grow.After 750 temperature shocks,Ag and Sn in the solder react with each other to
6、 form Ag3Sn network,which results in solder joint segregation.The properties change from tough to brittle,and the shear strength of solder joint decreases from 29.45 MPa to 22.51 MPa.The simulation results of temperature shocks show that the concentrated plastic strain energy and irregular bulk Ag3S
7、n at the corner of the chip/solder interface leading to the crack initiation easily.SiC基IGBT高铅焊料芯片固晶层的热冲击失效机理Thermal Shock Failure of Die Attach Layer Soldered with High Lead Solder in SiC-based IGBT杨光1，吴丰顺1，周龙早1，杨凯1，李可为2，丁立国2，李学敏2YANG Guang1,WU Fengshun1,ZHOU Longzao1,YANG Kai1,LI Kewei2,DING Liguo
8、2,LI Xueming2（1 华中科技大学材料科学与工程学院，武汉 430074；2 成都士兰半导体制造有限公司，成都 610404）(1 School of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2 Chengdu Silan Semiconductor Manufacturing Co.,Ltd.,Chengdu 610404,China)doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.001综述基金项
9、目：国家自然科学基金资助项目(6 2 0 7 4 0 6 2)。作者简介：杨光(1 9 9 8-)，男，硕士，主要从事S i C 芯片封装工艺与封装可靠性方向的研究。通信作者：吴丰顺，男，教授，邮箱：f e n g s h u n w u h u s t.e d u.c n.2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology20 引言绝缘栅双极形晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）在1980年代推出时被认为是一种革命性的功率器件，目前，它已成为中高功率应用中最受欢迎的功率半导体开关1，其常见的封装形式如图1所
10、示。相比于传统Si基芯片，宽禁带半导体碳化硅(SiC)电压阻断能力强，基于其制造的功率半导体有导通损耗低、开关频率高、可高温应用等优势，契合轨道交通、智能电网、电动汽车、新能源领域的发展需要2-4，已成为制作第三代功率半导体器件的主要半导体芯片材料。由于大功率器件封装结构形式没有改变，但Si、SiC两者的杨氏模量和热膨胀系数（CTE）等物性参数差异较大，必然带来与之相应的新的封装可靠性问题，其中受物性参数不匹配影响最大的便是直接包含芯片的芯片贴装（Die Attach，DA）结构，其封装可靠性是整体IGBT模块封装可靠性的基础。子器件工程委员会(Joint Electron Device En
11、gineering Council，JEDEC)的标准进行温度冲击疲劳加速试验(Thermal Shock Test，TST)，探究DA结构中高铅焊料层的疲劳失效机理。首先观察温度冲击之后焊点的截面组织，分析高铅焊料的组织演变过程；然后对焊点进行剪切试验，测量经过TST后焊点的剪切强度，观察焊点断裂截面。同时对高铅焊点的温度冲击过程进行模拟，结合试验结果分析温度冲击对焊点质量的影响机理，为生产中使用高铅焊料焊接SiC芯片提供可靠性数据与失效分析基础。1 试验1.1 试验材料SiC芯片、DBC基板和高铅焊料(Pb92.5Sn5Ag2.5)均由成都士兰半导体有限公司提供。厚度为180 m的SiC晶
12、片在蓝膜上被切割成5 mm5 mm芯片，背面镀层为Ti/Ni/Ag，厚度分别为：0.1 m、0.3 m和0.4 m。DBC基板尺寸为30 mm15 mm0.9 mm，中间陶瓷层的厚度为0.5 mm，双面敷铜层的厚度为0.2 mm，为防止污染放入氮气柜中保存。Pb92.5Sn5Ag2.5焊料放入-20 冰柜中保存备用。1.2 焊点制备流程本文将两片SiC芯片以DBC基板中心对称焊接在一片DBC基板上，在焊接工艺和温度冲击过程中，两个焊点经历相同的条件，后续试验结果分析时可按相同条件样品处理。焊点的制作过程分为3步：1）将基板放在模具中，使用150 mm的钢网和刮刀将Pb92.5Sn5Ag2.5焊
13、膏以5 mm5 mm大小刷到DBC基板上；2）将SiC芯片贴装在基板上的焊膏上；3）将贴片好的整体结构放入真空回流炉中进行回流焊接，在回流焊过程中通入甲酸气体，防止在高温回流过程中焊点被氧化。焊接好的样品如图2所示。图1 常见I G B T 的封装形式图2 焊接完成后的样品SiC IGBT器件相较于其他电子元件来说工作温度更高，因此DA结构中焊料层通常会采用高温焊料。Pb92.5Sn5Ag2.5焊料熔点在280 以上，可适用于高温应用条件。根据关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令(RoHS)的要求，对于高温应用的产品，若没有经过证实的可靠解决方案，欧盟很可能将对高铅合金的使用扩大豁免
14、5。因此，高铅焊料以其高温应用特性以及优异的可靠性广泛应用于Si基芯片功率器件的封装中。有学者对高铅焊料焊接Si基芯片的温度冲击和振动疲劳失效过程进行了研究，发现疲劳失效过程与高铅焊料的组织变化密切相关，焊点内部生成的块状Ag3Sn，以及界面IMC会使得焊料内部出现裂纹，界面出现分层6-8。而使用高铅焊料焊接SiC芯片，目前考虑Si和SiC物性参数较大差异对互连层疲劳失效的研究较少，焊点组织的演变及疲劳失效机理等尚不清楚，因此本文将采用高铅焊料(Pb92.5Sn5Ag2.5)对SiC芯片和直接敷铜(Direct Bonded Copper，DBC)基板互连，按照联合电1.3 温度冲击条件本文使
15、用高低温度冲击试验箱对样品进行不同D A焊料焊料热沉Keywords:die attach structure of SiC chip;high lead solder;temperature shock;microstructure evolution of solder Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0001-05第44卷第3期3图3 温度冲击炉温曲线(a)0 次；(b)2 5 0 次；(c)5 0 0 次；(d)7 5 0 次；(e)1 0 0 0 次(a)上界面 (b)下界面图4 温冲后P b 9 2.5 S n 5 A g
16、2.5 焊点的纵向截面组织形貌图6 经历过不同温冲后焊点剪切强度图5 0 次温度冲击焊点上下界面时间/s温度/次数的温度冲击试验，选取JEDEC中的温度冲击条件：高温150 保持15 min，低温-65 保持15 min，高低温转换时间不超过3 min，温度冲击炉温曲线如图3所示。于焊料为Pb92.5Sn5Ag2.5，焊料中的Sn和Ag也会在温度冲击过程中发生反应，如图4(c)、图4(d)、图4(e)所示，焊点中会形成网状Ag3Sn，导致焊点中的Ag与Sn偏聚，高铅焊料基体也会变脆退化。而焊点下界面的Cu3Sn厚度变化基本没变化。由于高铅焊点中Cu含量较少，同时回流焊过程中温度较高，因此焊料/Cu界面会生成Cu3Sn而没有生成Cu6Sn5，边界处焊料中的Sn被反应后形成的富Pb层阻止了Sn往Cu基板的扩散，温度冲击过程中Cu3Sn没有变多。剪切强度/MP a温冲次数/次2.2.2 温度冲击对焊点剪切截面形貌的影响不同温度冲击次数后高铅焊点的剪切截面如图7所示，截面主要由芯片背面镀层区域组成，有少数位置在焊点内部发生断裂，如图7(a)的位置1，其局部放大图如图8(a)所示，可见断面有明显