隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路封裝技術(shù)的要求也在不斷提高。特別是在功率電子領(lǐng)域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為關(guān)鍵的功率器件，其性能和可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。在IGBT模塊中，引線鍵合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)芯片與外部電路連接的重要手段，而鍵合材料的選擇和鍵合工藝參數(shù)的優(yōu)化則是確保鍵合質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
銅線作為一種新型的鍵合材料，相較于傳統(tǒng)的鋁線和金線，展現(xiàn)出了更為優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。這使得銅線在承載大電流的應(yīng)用中，能夠在不增加鍵合線數(shù)量的前提下，提高電流傳輸能力和散熱效率，從而增強(qiáng)IGBT模塊的性能。然而，銅線鍵合工藝的參數(shù)優(yōu)化和可靠性分析仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
本文科準(zhǔn)測(cè)控小編旨在通過(guò)對(duì)DBC（覆銅陶瓷基板）上銅線超聲楔形鍵合工藝參數(shù)的研究，探索影響鍵合質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并優(yōu)化工藝參數(shù)。我們以剪切力作為衡量鍵合質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，采用單因素分析法研究各參數(shù)對(duì)鍵合點(diǎn)強(qiáng)度的影響，并利用正交試驗(yàn)方法確定最佳工藝參數(shù)組合。通過(guò)這些研究，我們期望為銅線鍵合工藝的參數(shù)設(shè)定提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)方法，進(jìn)而提高IGBT模塊的可靠性和壽命。
一、試驗(yàn)方法及設(shè)備
1、試驗(yàn)內(nèi)容
本研究選用純度為99.99%、直徑15 mil（0.381毫米）的賀利氏（Heraeus）銅線作為引線鍵合材料。該銅線具有401 W/(m·K)的熱導(dǎo)率和1.69 μΩ/cm的電阻率。實(shí)驗(yàn)中，我們使用FS 5850型超聲鍵合機(jī)進(jìn)行超聲楔形鍵合。研究的變量包括超聲功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間和切絲高度。本文的核心目標(biāo)是探究引線鍵合參數(shù)的優(yōu)化，以確保鍵合的可靠性并避免鍵合缺陷。
由于鍵合點(diǎn)的脫落和由內(nèi)應(yīng)力引起的斷線問(wèn)題直接關(guān)聯(lián)到引線的力學(xué)性能，因此，我們選擇機(jī)械參數(shù)檢測(cè)作為評(píng)估鍵合質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。考慮到破壞性拉力測(cè)試因拉斷位置和角度的不同而存在誤差，并且無(wú)法準(zhǔn)確反映兩個(gè)鍵合點(diǎn)強(qiáng)度的差異，我們選擇剪切力測(cè)試作為評(píng)估鍵合點(diǎn)強(qiáng)度的主要方法。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)鍵合點(diǎn)的剪切力，我們可以評(píng)估鍵合點(diǎn)與基板之間的粘接質(zhì)量。
2、常用檢測(cè)設(shè)備
1) Alpha-W260推拉力測(cè)試機(jī)
a、多功能焊接強(qiáng)測(cè)試儀是用于為微電子引線鍵合后引線焊接強(qiáng)度測(cè)試、焊點(diǎn)與基板表面粘接力測(cè)試及其失效分析領(lǐng)域的專(zhuān)用動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器，常見(jiàn)的測(cè)試有晶片推力、金球推力、金線拉力等，采用高速力值采集系統(tǒng)。
b、根據(jù)測(cè)試需要更換相對(duì)應(yīng)的測(cè)試模組,系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別模組量程。可以靈活得應(yīng)用到不同產(chǎn)品的測(cè)試，每個(gè)工位獨(dú)立設(shè)置安全高度位及安全限速，防止誤操作對(duì)測(cè)試針頭造成損壞。且具有測(cè)試動(dòng)作迅速、準(zhǔn)確、適用面廣的特點(diǎn)。
c、適用于半導(dǎo)體IC封裝測(cè)試、LED 封裝測(cè)試、光電子器件封裝測(cè)試、PCBA電子組裝測(cè)試、汽車(chē)電子、航空航天、軍工等等。亦可用于各種電子分析及研究單位失效分析領(lǐng)域以及各類(lèi)院校教學(xué)和研究。
2) 設(shè)備特點(diǎn)
3、試驗(yàn)流程
a、設(shè)備設(shè)置
確保Alpha-W260多功能推拉力測(cè)試機(jī)處于良好工作狀態(tài)。
調(diào)整測(cè)試機(jī)的剪切高度至10微米，以適應(yīng)DBC樣品的測(cè)試需求。
設(shè)置推球速度為100微米/秒，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。
b、樣品準(zhǔn)備
準(zhǔn)備DBC（覆銅陶瓷基板）樣品，確保其表面清潔無(wú)污染。
標(biāo)記DBC上的第一和第二鍵合點(diǎn)，以便準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)試。
c、測(cè)試準(zhǔn)備
將DBC樣品固定在測(cè)試機(jī)的夾具上，確保樣品穩(wěn)定且鍵合點(diǎn)位置正確對(duì)準(zhǔn)測(cè)試機(jī)的推球。
檢查樣品與測(cè)試機(jī)的接觸情況，避免在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生位移。
d、剪切力測(cè)試
啟動(dòng)測(cè)試機(jī)，讓推球接觸DBC上的鍵合點(diǎn)，并按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行剪切力測(cè)試。
對(duì)每個(gè)鍵合點(diǎn)重復(fù)測(cè)試，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
e、數(shù)據(jù)記錄
記錄每個(gè)鍵合點(diǎn)的剪切力測(cè)試結(jié)果，包括剪切力的大小和任何異常情況。
對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，檢查是否有異常值或需要重復(fù)測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
f、測(cè)試后處理
測(cè)試完成后，將DBC樣品從測(cè)試機(jī)上取下，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)那鍧嵑捅ｐB(yǎng)。
對(duì)測(cè)試機(jī)進(jìn)行必要的維護(hù)，確保設(shè)備處于最佳狀態(tài)，以備下次使用。
g、數(shù)據(jù)分析
對(duì)收集到的剪切力數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。
根據(jù)剪切力測(cè)試結(jié)果評(píng)估鍵合點(diǎn)的粘接質(zhì)量。
h、結(jié)果評(píng)估
根據(jù)剪切力測(cè)試結(jié)果，評(píng)估DBC上第一和第二鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度。
確定是否需要對(duì)鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化鍵合質(zhì)量。
二、試驗(yàn)結(jié)果分析
1、引線鍵合效果摘要
鍵合參數(shù)影響楔形鍵合結(jié)果，導(dǎo)致兩種失效模式：剝離和根切。
理想鍵合顯示兩個(gè)鍵合點(diǎn)與金屬緊密接觸，形成機(jī)械連接。
單因素對(duì)剪切力影響摘要
2、超聲功率
最佳范圍：23-37 W，過(guò)小或過(guò)大功率均降低鍵合強(qiáng)度。
最大剪切力：第一鍵合點(diǎn)在33.946 W，第二鍵合點(diǎn)在36.072 W。
3、鍵合壓力
最佳范圍：800-1400 g，過(guò)小或過(guò)大壓力均降低鍵合強(qiáng)度。
最大剪切力：第一鍵合點(diǎn)在1531.793 g，第二鍵合點(diǎn)在1375.579 g。
4、鍵合時(shí)間
剪切力隨時(shí)間增加而增加，320 ms后增速放緩。
最大剪切力：第一鍵合點(diǎn)在367.208 ms，第二鍵合點(diǎn)在480.000 ms。
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