超聲波清洗對IPM模塊注塑體可靠性的影響

中車永濟電機有限公司 西安中車永電電氣有限公司 吳 磊 謝龍飛

1 引言

IPM (Intelligent Power Module，智能功率模塊)是將IGBT芯片及其驅動電路、控制電路和過流、欠壓、短路等保護電路集成于一體的新型控制模塊。它是一種復雜、先進的功率模塊，能自動實現過流、欠壓、短路等復雜保護功能，因而具有智能特征。同時它具有低成本、小型化、高可靠、易使用等優點，廣泛應用于變頻家電、伺服電機、工業變頻等領域[1]，因此，IPM模塊的可靠性對整個系統的可靠性至關重要。

注塑工序是IPM模塊封裝制造的關鍵工序之一，若注塑體可靠性存在隱患，將直接影響到IPM模塊的長期可靠運行。本文采用超聲波掃描設備對不同工藝參數下的IPM模塊注塑質量進行了檢測與分析，并進行了TC（溫度循環）與PCT（壓力蒸煮）等加速壽命試驗，驗證了其可靠性。

圖1 IPM模塊

2 試驗方案

采用超聲波清洗設備、注塑設備進行試驗樣品的制備，采用超聲波掃描設備、TC、PCT測試設備對樣品進行測試分析。在試驗中，將試驗樣品分為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，再進行注塑。將兩組注塑好的樣品分別進行超聲波檢測，查看料餅內部的分層情況。之后將兩組組樣品進行TC、PCT試驗，試驗后對IPM模塊電特性測試與料餅內部分層情況再次進行測試。將兩組樣品試驗結果進行對比，分析IPM模塊注塑體質量與可靠性的區別。

3 結果分析

3.1 超聲波掃描測試

對制備好的A、B兩組樣品分別進行超聲波掃描測試，以檢測注塑體內部是否存在分層現象，重點觀測注塑體與IGBT、FRD、鋁線、PCB、銅框架結合面的情況，如圖2所示。

圖2 IPM內部結構

圖3、圖4分別為A、B兩組樣品在TC測試之前內部分層測試結果，通過圖中可以看出，未經過超聲波清洗和經過超聲波清洗的樣品在注塑體與IGBT、FRD、鋁線、PCB、銅框架結合面沒有出現分層現象，說明注塑質量良好。

圖3 A組樣品：TC測試之前內部分層測試結果

圖4 B組樣品：TC測試之前內部分層測試結果

圖5 A組樣品：TC測試之后內部分層測試結果

圖6 B組樣品：TC測試之后內部分層測試結果

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 雙脈沖測試波形

為了驗證注塑體的可靠性，分別對A、B兩組樣品進行TC測試，測試條件為-40℃與125℃，每個溫度保持30min，-40℃與125℃各測一次為一個循環，共測500個循環，測試結果如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，沒有經過超聲波清洗的樣品，在注塑體與功率芯片、鍵合點、銅框架結合處能夠明顯的觀測到分層現象，將會導致鍵合點損傷乃至斷裂、銅框架與DBC焊層的損傷、芯片的損傷，對產品的可靠性產生影響甚至造成產品失效。圖6為經過超聲波清洗TC測試之后注塑體內部分層結果，與圖5進行比較，可以看出，注塑體質量明顯得到改善，與功率芯片、鍵合點、銅框架結合處沒有發生分層現象。這是因為在焊接工序后，焊接面、被焊元件周圍會存在助焊劑，影響注塑體與各部件的結合力，在經過TC測試之后，就會出現分層現象。而經過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量，如圖7所示[2-3]。

3.2 TC、PCT電性能測試

對A、B兩組樣品經過TC、PCT試驗后分別進行電性能測試，驗證模塊是否合格，圖8為雙脈沖測試波形。表1為A、B兩組樣品測試結果，TC、PCT電性能測試均通過為合格，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，與前面分層測試結果一致，經過超聲波清洗可有效注塑體可靠性。

表1 TC、PCT電性能測試結果

4 結論

本文詳細分析了超聲波清洗對IPM模塊注塑體可靠性的影響，采用超聲波掃描設備、TC、PCT測試設備對樣品進行測試分析。結果表表明，經過超聲波清洗的樣品，TC測試之后注塑體不存在分層現象，TC、PCT電性能測試均通過，有效提高了IPM模塊可靠性，該工藝可應用于IPM模塊的批量生產中。