IGBT封裝SnSb5 10晶元焊接比較

Mondo 科技 更新 2024-03-07

1)SNSB5和SNSB10樣品製備資訊如下:

涉及的重要資訊:

焊料 - 固相線溫度 - 完全熔化溫度

snsb5- 240-248

snsb10-248-254

晶元:Si晶元表面形成Ti Ni Au層=100 100 100nm; SI晶元3x3x048mm

銅板:表面800拋光紙拋光;

銅板:10 10 12mm;焊片:25×2.5×0.12mm – 助焊劑:Senju Metal Industries Deltalux 529D-1; ——回流焊爐:紅外加熱,回流溫度高於熔點上限30,真空度為5pa,晶元加壓002n。焊接後用酒精清洗。 該研究使用差示掃瞄量熱法 (DSC) 以 10 分鐘的加熱速率進行。

圖 1:測試樣品示意圖2)樣品觀察條件將試樣置於環氧樹脂中切片,切片截面用500-4000目拋光紙拋光,再用1um氧化鋁拋光液處理。 拋光後,使用顯微鏡和電子探針X射線顯微分析儀(EPMA,類似於EDS)進行顯微組織觀察。

3) 加速測試

a- 電源迴圈測試。

圖2顯示了功率迴圈測試(PC測試)中的溫度曲線。 測試條件:JEIT0-ED-4701-602。 迴圈曲線為100-200,迴圈時間為20秒,加熱2s+冷卻18s。 測試以 1k、5k 和 10k 迴圈進行。 測試後,使用SAT觀察故障裂紋,使用EPMA觀察橫截面中的焊點。 在橫截面上以 10 m 的間隔測量 imc 層在 10 個點處的厚度。

圖 2:功率迴圈中的溫度曲線 B 老化測試。

使用爐子進行熱老化測試,爐子在100和200°C的等溫條件下進行。 8 和 556小時,相當於1K、5K、10K PC測試。 測試後,使用EPMA觀察焊縫層的橫截面。 同樣在橫截面圖中,IMC 層的厚度以 10 個點的間隔進行測量。 4) 結果比較

4.1 焊層的微觀結構。

圖3顯示了光學影象以及結合SNSB5及其EPMA分析的橫截面背散射電子影象。 從圖中可以看出,在Cu SNSB5焊料層中形成的IMC中檢測到了SN和Cu。

圖3:SNSB5焊縫截面4顯示了SNSB10焊縫截面的光學和反向散射影象及其EPMA分析結果的電子影象,EPMA光譜分析結果,以及SN-Cu層和IMC中SNSB10焊料層中SB-SN的存在。 圖5顯示了sn-sb二元相圖,從中可以看出所研究的snsb合金由-sn+sb-sn相組成。 此外,在SNSB10中觀察到SBSN顆粒的分布。

圖4:SNSB10焊縫橫截面

圖 5,SNSB 二進位相位圖 42.功率迴圈測試。 圖 6 顯示了 10K 迴圈後 SNSB 焊接層 PCK、5K 和 10K 焊料層的 SAT 影象。 在圖中,SNSB5焊點**現在在1K CyCl處非常明顯,並且僅在SNSB10焊料中出現在5K CyCl處。 可以看出,SNSB10焊點比SNSB5更可靠。 圖7顯示了功率迴圈測試後焊料橫截面的反向散射電子影象。 雖然 SNSB5 的焊料層中已經存在裂紋,但裂紋在焊料和晶元之間的介面處發展,裂紋在焊料中發展,在焊料層處形成鋸齒狀圖案,SNSB10。 在SNSB5中,SNSB合金的CTE與SI的CTE有很大不同,因此容易形成裂紋,並且裂紋在焊料介面處生長焊料和碎屑。 在SNSB10中,隨著SNSB含量的增加,SNSB合金的CTE降低並接近Si,因此焊點處容易產生裂紋。 此外,SNSB合金中的粗SBSN化合物可有效防止裂紋擴充套件。 (所以DBC散熱器中焊接的可靠性也應該更好)。

圖 6,電源迴圈測試後焊點的掃瞄聲學斷層掃瞄影象。

圖 7,後 PC 焊點橫截面的背散射電子影象(SNSB5 裂紋更靠近晶元側)。

圖8,IMC層在焊料層介面上的背散射電子影象經過功率迴圈測試sn-sb cu。 在影象中,在 SN-SB CU 焊料層中觀察到兩個 IMC 層。 根據定量分析結果,深灰色層和亮灰色層分別為Cu3Sn和Cu6SN5,這些IMC層會隨著功率迴圈的增加而增厚。

圖 9 顯示了 PC 測試的 IMC 層厚度與處理時間的關係,兩種合金的焊縫層的 IMC 層厚度隨著處理時間的增加而變化。 與SNSB5、SNSB10相比,IMC生長動力學的差異層可以忽略不計。

4.3.熱老化試驗。

圖10和圖11分別顯示了SN-SB焊點在100和200熱老化測試後的反向散射截面的電子影象。 在圖中,IMC層可以在兩個SN-SB CU焊料層中看到,與老化溫度無關。 深灰色和淺灰色層分別推斷為CU3SN和CU6SN5,PC測試後,imc在焊料層上也可見。 圖 12 和 13 分別顯示了 100 和 200 imc 層厚度與熱老化時間平方根之間的關係。 imc層的厚度隨著熱老化時間和老化時間的增加而增加,imc層厚度與恆溫下熱老化時間的平方根的關係繪製如下。

x為imc層的厚度,k為相互擴散係數,t為熱老化時間,x0為imc層在焊接初始狀態下的厚度。 與 SNSB5 和 SNSB10 相比,兩個焊縫層中 IMC 層的生長動力學差異可以忽略不計。 與圖9等功率迴圈測試結果相比,IMC層在200時比PC測試更厚,在100時更薄。 圖 14 顯示了 SN-SB CU 焊料層中 IMC 層的平均厚度與 PC 測試的實際處理時間之間的關係1 5. 這個時間對應於焊縫暴露在160°C以上溫度下的時間,該圖還顯示了焊料層中IMC層的平均厚度與200熱老化時間之間的關係。 圖中IMC層的厚度是通過從每個資料中減去100度的老化來獲得的,如圖12所示。 從圖中可以看出,當PC測試中的處理時間定義為焊縫層暴露在超過160°C的溫度下的時間時,IMC層在功率迴圈中的生長動力學與200年老化的動力學非常吻合。 這意味著通過研究IMC層在功率迴圈峰值溫度附近的生長動力學,可以研究IMC層在功率PC測試中的生長動力學。

圖10,時效後在SN-SB Cu焊料層介面上形成的imc層橫截面的背散射電子影象。

圖11,在sn-sb銅焊縫層的焊縫介面中形成的imc層橫截面的背散射電子影象。

圖 12,100 時 IMC 層厚度與老化時間的關係平方根圖。

圖 13,200 時 IMC 層厚度與老化時間的關係平方根圖。

圖 14 顯示了焊料層 imc 層中 SN-SB Cu 的相對厚度,作為 PC 中實際處理時間 (1 5) 和 200 次老化測試中老化時間的函式。

5) 結論(1)在PC機中,晶元焊錫層SNSB10的壽命較好,SNSB5。 在兩個 SN-SB CU 焊料層、兩個 Cu-SN imc 層中觀察到 Cu3SN 和 Cu6SN5。 兩個焊料層中imc層的厚度隨著加工時間的增加而增加。 (2)在熱老化試驗中,在兩個SN-SB Cu焊縫層的焊縫介面處形成相似的IMC層。 對於IMC層的生長動力學,趨勢與PC測試相似。 (3)比較100和200的老化試驗和100-200溫度範圍內的PC試驗,發現當PC操作時間定義為焊錫層暴露在160以上的溫度下時,PC試驗的IMC層的生長動力學與200的老化試驗更一致, 這意味著可以通過研究IMC層在接近PC峰值溫度的溫度下的生長動力學來研究PC中IMC層的生長動力學。

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