超聲波清洗對(duì)IPM模塊注塑體可靠性的影響

中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司 西安中車(chē)永電電氣有限公司 吳 磊 謝龍飛

1 引言

IPM (Intelligent Power Module，智能功率模塊)是將IGBT芯片及其驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和過(guò)流、欠壓、短路等保護(hù)電路集成于一體的新型控制模塊。它是一種復(fù)雜、先進(jìn)的功率模塊，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)流、欠壓、短路等復(fù)雜保護(hù)功能，因而具有智能特征。同時(shí)它具有低成本、小型化、高可靠、易使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于變頻家電、伺服電機(jī)、工業(yè)變頻等領(lǐng)域[1]，因此，IPM模塊的可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

注塑工序是IPM模塊封裝制造的關(guān)鍵工序之一，若注塑體可靠性存在隱患，將直接影響到IPM模塊的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。本文采用超聲波掃描設(shè)備對(duì)不同工藝參數(shù)下的IPM模塊注塑質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)與分析，并進(jìn)行了TC（溫度循環(huán)）與PCT（壓力蒸煮）等加速壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可靠性。

圖1 IPM模塊

2 試驗(yàn)方案

采用超聲波清洗設(shè)備、注塑設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)樣品的制備，采用超聲波掃描設(shè)備、TC、PCT測(cè)試設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析。在試驗(yàn)中，將試驗(yàn)樣品分為A、B兩組，各10只，A組樣品在焊接、鍵合工序之后直接注塑，B組樣品在焊接、鍵合工序之間加入超聲波清洗后，再進(jìn)行注塑。將兩組注塑好的樣品分別進(jìn)行超聲波檢測(cè)，查看料餅內(nèi)部的分層情況。之后將兩組組樣品進(jìn)行TC、PCT試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)IPM模塊電特性測(cè)試與料餅內(nèi)部分層情況再次進(jìn)行測(cè)試。將兩組樣品試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析IPM模塊注塑體質(zhì)量與可靠性的區(qū)別。

3 結(jié)果分析

3.1 超聲波掃描測(cè)試

對(duì)制備好的A、B兩組樣品分別進(jìn)行超聲波掃描測(cè)試，以檢測(cè)注塑體內(nèi)部是否存在分層現(xiàn)象，重點(diǎn)觀測(cè)注塑體與IGBT、FRD、鋁線(xiàn)、PCB、銅框架結(jié)合面的情況，如圖2所示。

圖2 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3、圖4分別為A、B兩組樣品在TC測(cè)試之前內(nèi)部分層測(cè)試結(jié)果，通過(guò)圖中可以看出，未經(jīng)過(guò)超聲波清洗和經(jīng)過(guò)超聲波清洗的樣品在注塑體與IGBT、FRD、鋁線(xiàn)、PCB、銅框架結(jié)合面沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，說(shuō)明注塑質(zhì)量良好。

圖3 A組樣品：TC測(cè)試之前內(nèi)部分層測(cè)試結(jié)果

圖4 B組樣品：TC測(cè)試之前內(nèi)部分層測(cè)試結(jié)果

圖5 A組樣品：TC測(cè)試之后內(nèi)部分層測(cè)試結(jié)果

圖6 B組樣品：TC測(cè)試之后內(nèi)部分層測(cè)試結(jié)果

圖7 芯片表面助焊劑殘留a 超聲波清洗前b超聲波清洗后

圖8 雙脈沖測(cè)試波形

為了驗(yàn)證注塑體的可靠性，分別對(duì)A、B兩組樣品進(jìn)行TC測(cè)試，測(cè)試條件為-40℃與125℃，每個(gè)溫度保持30min，-40℃與125℃各測(cè)一次為一個(gè)循環(huán)，共測(cè)500個(gè)循環(huán)，測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，沒(méi)有經(jīng)過(guò)超聲波清洗的樣品，在注塑體與功率芯片、鍵合點(diǎn)、銅框架結(jié)合處能夠明顯的觀測(cè)到分層現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)損傷乃至斷裂、銅框架與DBC焊層的損傷、芯片的損傷，對(duì)產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生影響甚至造成產(chǎn)品失效。圖6為經(jīng)過(guò)超聲波清洗TC測(cè)試之后注塑體內(nèi)部分層結(jié)果，與圖5進(jìn)行比較，可以看出，注塑體質(zhì)量明顯得到改善，與功率芯片、鍵合點(diǎn)、銅框架結(jié)合處沒(méi)有發(fā)生分層現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诤附庸ば蚝螅附用?、被焊元件周?chē)鷷?huì)存在助焊劑，影響注塑體與各部件的結(jié)合力，在經(jīng)過(guò)TC測(cè)試之后，就會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而經(jīng)過(guò)超聲波清洗清洗的樣品，殘留的助焊劑得到有效清除，有助于提高注塑體質(zhì)量，如圖7所示[2-3]。

3.2 TC、PCT電性能測(cè)試

對(duì)A、B兩組樣品經(jīng)過(guò)TC、PCT試驗(yàn)后分別進(jìn)行電性能測(cè)試，驗(yàn)證模塊是否合格，圖8為雙脈沖測(cè)試波形。表1為A、B兩組樣品測(cè)試結(jié)果，TC、PCT電性能測(cè)試均通過(guò)為合格，可以看出，A組10樣品合格6只，不合格4只，B組樣品全部合格，與前面分層測(cè)試結(jié)果一致，經(jīng)過(guò)超聲波清洗可有效注塑體可靠性。

表1 TC、PCT電性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了超聲波清洗對(duì)IPM模塊注塑體可靠性的影響，采用超聲波掃描設(shè)備、TC、PCT測(cè)試設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表表明，經(jīng)過(guò)超聲波清洗的樣品，TC測(cè)試之后注塑體不存在分層現(xiàn)象，TC、PCT電性能測(cè)試均通過(guò)，有效提高了IPM模塊可靠性，該工藝可應(yīng)用于IPM模塊的批量生產(chǎn)中。