高功率模組的夾式銲接
清洗和製程監測
Albert Heilmann, Umicore
Stefan Strixner, Zestron
對眾多的終端產品而言，增加功率規格和功率密度的需求代表著高功率半導體模組和組件通常使用夾式銲接技術來進行封裝。
銲錫膏會把助熔劑殘留在銲點上，必須加上清洗製程把它清除出高功率模組，來符合高可靠度要求，並獲得不錯的夾式銲接、線銲及成型。
相對於晶片黏結方法藉由接著劑接合或線銲等傳統方式，高功率封裝和分離元件例如金氧半導體場效電晶體(MOSFETs)、絕緣閘極雙載子電晶體(IGBTs)和變動輸出差異結構(SODs)等都使用銲錫膏來連接晶片和基座或導線架，夾式銲接技術是藉由固體銅橋接的方式部份取代標準型線銲方式來接合晶片和導線架，這種方式也是同樣由銲錫膏來銲接(圖一)，因為封裝體積很小，所以允許特殊的封裝電阻，較好的熱傳導和超快的轉移功能。
避免生產過程中銲接步驟時晶片接合使用的合金回熔是很重要的一件事。因此高鉛比例合金被業界所廣泛使用，它們的熔點高於260℃，更因為缺乏低成本的無鉛方案，這些合金被RoHS規定為例外。
當高鉛比例合金熔點區間落於280℃到310℃之間，回流製程的尖峰溫度是320℃到400℃之間，這些高溫狀況導致於某些重要元素的分解，事實上，這個現象跟高助熔劑含量一樣，需要較特殊的清洗製程和其它方式來保證隨後的放置製程，例如成形或線銲等的品質。
不正確的清洗問題
一種所謂有效的清洗製程必須移除所有的助熔劑殘留例如松脂/樹脂、活化劑殘留和銲球等。同時也必須沒有清洗劑殘留在表面並且保留某種表面活化功能給後續的製程例如線銲及成形等項。
缺少或不正確的清洗經常導致不良線銲品質和許多封蓋失效和腐蝕問題。結果是松脂/樹脂為基礎污染物的殘留，可能導致不良的銲接點，造成掀起和根部龜裂(圖二)。它也可能對成形材料黏著有負面影響，造成微小裂痕、層間分離和/或孔隙(圖三)。另一方面, 助熔劑中活化劑的殘留也可能增加長期發生腐蝕的風險。
適當的清洗方法
為了有效且可靠地移除夾式銲接後的助熔劑殘留，清洗劑在化學性質上必須與銲錫膏殘留的特性相匹配，因此銲錫膏和清洗劑的選擇應該同時決定，並且彼此相關連。
根據最近有關於鉛基銲錫膏的研究，其主要用於錫銲高功率封裝，在這篇研究中，不同的溶劑基種類，半水性和水性製程都被測試過，包括使用超音波、浸入式噴塗、空氣中噴塗和離心力清洗設備等。
調整銲錫膏和清洗劑是很重要的事。這個研究結果展示根據微細相清洗技術的特殊晶片黏著錫膏和清洗劑，符合於正確的清洗結果。清洗製程中的機械性攪拌關係反而是比較次要的。
一方面根據這個研究的產品篩選，另一方面結合業界的經驗，微細相清洗產品比起早一代的活性劑、松烯基或碳水清洗劑顯示出有顯著的技術優點和改善過的清洗效率。
當使用正確清洗劑來清洗線銲基座時，較低的超音波功率/時間都是產生一個可靠的銲接所必要的。因為較低的銲接能量會觀察到較小的銲線變形。因此使跟部龜裂的危險性可以降到最低(圖四)。
除此之外, 最終線銲點的拉力-剪刀可以被增加並且改善銲接製程的可靠度和再現性。經過清洗後的基座，其拉力－剪刀比未清洗或不正確清洗的基座顯現出較小的標準差。特別是銅基的導線架其表面能量增加，改善了成形材料在組件上的黏著力。
製程監測
為了確保可靠的清洗製程就必須有適當的認證方法, 目前清洗的程序是靠標準規格方法來間接驗證，例如藉線銲點的拉力－剪刀測試或IPC測試例如濕度敏感度、溫度周期和壓力容器測試等。這些測試都是破壞性的並且通常都在製造過程的最後一站後才完成。另外，非破壞性且可以直接應用在生產過程中的快速分析測試方法已被提供給清潔度控制。因為有這些方法使得製造過程的及時監測變成可能。(表一)
使用干涉對比調查銲墊表面狀態提供了其金屬化是否完整的資訊，測試結果透露出當氧化層或結構錯誤存在時，這些現象會使線銲更為困難。
樹脂測試可藉由顏色反應目視測定是樹脂或是松脂為基礎的助熔劑分佈的殘留。這些殘留會負面影響表面的銲接性和破壞鑲嵌材料的黏著性。這個評估的根據是J-STD 001D。
表面上的其它有機雜質可能影響銲接和鑲嵌製程的程度, 可藉助量測表面張力或能量來決定，有機層的測試可以分析導線架的金屬銅/鎳表面的活性。一個活性的表面對隨後高功率模組銲接到銅陶瓷基座上是非常重要的，同時對導線架基的高功率組件來說也是重要的。
標準的IPC TM 650偵測到的離子數值也代表一項重要的因素項目。高離子讀值表示有大量的易潮濕和導電雜質存在。這些雜質導致長期性成形材料的層狀分離最後會導致破壞。並且， 也可能觀察到銲線和/或晶片表面的局部腐蝕。
其它的有機雜質例如助熔劑中的活化劑殘留，可以決定性影響成形的品質和啟動破壞機制。為了要顯現這些有機雜質，現在有一些快速且簡易的變色方法(例如助熔劑測試可以當作一種替代現有昂貴的測試方法，像紅外線光譜儀)。藉著顏色的反應，當作助熔劑中的活化劑的有機酸就可以選擇性的被鑑定出來。
這些補充性的測試提供了操作者對線銲及成形之前的表面狀態有一個清楚的瞭解和與製程的及時互動。
結論
當使用夾式銲接技術製造高功率模組時，為了確保高可靠度的製程就必須正確指定單一但有關連性的製程步驟。銲錫膏製造商和清洗劑供應商之間的合作有助於清楚的製程，使得銲錫膏和清洗劑兩者的使用變成緊密結合在一起。清洗效果可以最佳化其餘的生產製程，且增加高功率模組的可靠度。
作者
Albert Heilmann, M. S. Ch. E.，應用技術經理。地址：Umicore, Hanau-Wolfgang, Germany；電話：+49/6181-59-5312；電子郵件信箱：albert.heilmann@eu.umicore.com。
Stefan Strixner, M. S. Ch. E.，資深製程工程師。地址：ZESTRON Europe, Ingolstadt, Germany；電話：+49/841-635-90；電子郵件信箱：S.Strixner@zestron.com。
圖一：夾式和銲線結合的組合。
圖二：不良的線銲品質：掀起(左)和根部龜裂(右)。