干貨分享|DBC銅線鍵合技術的可靠性評估及參數優(yōu)化方法

隨著現代電子技術的飛速發(fā)展，集成電路封裝技術的要求也在不斷提高。特別是在功率電子領域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為關鍵的功率器件，其性能和可靠性直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。在IGBT模塊中，引線鍵合技術是實現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的優(yōu)化則是確保鍵合質量的關鍵因素。

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，展現出了更為優(yōu)異的導電和導熱性能。這使得銅線在承載大電流的應用中，能夠在不增加鍵合線數量的前提下，提高電流傳輸能力和散熱效率，從而增強IGBT模塊的性能。然而，銅線鍵合工藝的參數優(yōu)化和可靠性分析仍然是一個亟待解決的問題。

本文科準測控小編旨在通過對DBC（覆銅陶瓷基板）上銅線超聲楔形鍵合工藝參數的研究，探索影響鍵合質量的關鍵因素，并優(yōu)化工藝參數。我們以剪切力作為衡量鍵合質量的標準，采用單因素分析法研究各參數對鍵合點強度的影響，并利用正交試驗方法確定最佳工藝參數組合。通過這些研究，我們期望為銅線鍵合工藝的參數設定提供科學依據和指導方法，進而提高IGBT模塊的可靠性和壽命。

一、試驗方法及設備

1、試驗內容

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)的熱導率和1.69 μΩ/cm的電阻率。實驗中，我們使用FS 5850型超聲鍵合機進行超聲楔形鍵合。研究的變量包括超聲功率、鍵合壓力、鍵合時間和切絲高度。本文的核心目標是探究引線鍵合參數的優(yōu)化，以確保鍵合的可靠性并避免鍵合缺陷。

由于鍵合點的脫落和由內應力引起的斷線問題直接關聯(lián)到引線的力學性能，因此，我們選擇機械參數檢測作為評估鍵合質量的標準?？紤]到破壞性拉力測試因拉斷位置和角度的不同而存在誤差，并且無法準確反映兩個鍵合點強度的差異，我們選擇剪切力測試作為評估鍵合點強度的主要方法。通過測量兩個鍵合點的剪切力，我們可以評估鍵合點與基板之間的粘接質量。

2、常用檢測設備

1) Alpha-W260推拉力測試機

a、多功能焊接強測試儀是用于為微電子引線鍵合后引線焊接強度測試、焊點與基板表面粘接力測試及其失效分析領域的專用動態(tài)測試儀器，常見的測試有晶片推力、金球推力、金線拉力等，采用高速力值采集系統(tǒng)。

b、根據測試需要更換相對應的測試模組,系統(tǒng)自動識別模組量程。可以靈活得應用到不同產品的測試，每個工位獨立設置安全高度位及安全限速，防止誤操作對測試針頭造成損壞。且具有測試動作迅速、準確、適用面廣的特點。

c、適用于半導體IC封裝測試、LED 封裝測試、光電子器件封裝測試、PCBA電子組裝測試、汽車電子、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域以及各類院校教學和研究。

2) 設備特點

3、試驗流程

a、設備設置

確保Alpha-W260多功能推拉力測試機處于良好工作狀態(tài)。

調整測試機的剪切高度至10微米，以適應DBC樣品的測試需求。

設置推球速度為100微米/秒，以保證測試的準確性和重復性。

b、樣品準備

準備DBC（覆銅陶瓷基板）樣品，確保其表面清潔無污染。

標記DBC上的第一和第二鍵合點，以便準確進行測試。

c、測試準備

將DBC樣品固定在測試機的夾具上，確保樣品穩(wěn)定且鍵合點位置正確對準測試機的推球。

檢查樣品與測試機的接觸情況，避免在測試過程中發(fā)生位移。

d、剪切力測試

啟動測試機，讓推球接觸DBC上的鍵合點，并按照設定的參數進行剪切力測試。

對每個鍵合點重復測試，以確保數據的準確性和可靠性。

e、數據記錄

記錄每個鍵合點的剪切力測試結果，包括剪切力的大小和任何異常情況。

對測試數據進行初步分析，檢查是否有異常值或需要重復測試的數據點。

f、測試后處理

測試完成后，將DBC樣品從測試機上取下，并進行適當的清潔和保養(yǎng)。

對測試機進行必要的維護，確保設備處于最佳狀態(tài)，以備下次使用。

g、數據分析

對收集到的剪切力數據進行詳細分析，計算平均值、標準差等統(tǒng)計參數。

根據剪切力測試結果評估鍵合點的粘接質量。

h、結果評估

根據剪切力測試結果，評估DBC上第一和第二鍵合點的鍵合強度。

確定是否需要對鍵合工藝參數進行調整，以優(yōu)化鍵合質量。

二、試驗結果分析

1、引線鍵合效果摘要

鍵合參數影響楔形鍵合結果，導致兩種失效模式：剝離和根切。

理想鍵合顯示兩個鍵合點與金屬緊密接觸，形成機械連接。

單因素對剪切力影響摘要

2、超聲功率

最佳范圍：23-37 W，過小或過大功率均降低鍵合強度。

最大剪切力：第一鍵合點在33.946 W，第二鍵合點在36.072 W。

3、鍵合壓力

最佳范圍：800-1400 g，過小或過大壓力均降低鍵合強度。

最大剪切力：第一鍵合點在1531.793 g，第二鍵合點在1375.579 g。

4、鍵合時間

剪切力隨時間增加而增加，320 ms后增速放緩。

最大剪切力：第一鍵合點在367.208 ms，第二鍵合點在480.000 ms。

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