功率器件引線鍵合參數(shù)研究*

張玉佩，張 茹，戎光榮

（煙臺(tái)臺(tái)芯電子科技有限公司，山東煙臺(tái) 260046）

1 引言

隨著能源利用與環(huán)境不斷地向可持續(xù)性方向發(fā)展，功率器件在各類(lèi)能源系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）具備眾多優(yōu)點(diǎn)，且在高壓、大電流方面具有極大的發(fā)展?jié)摿?，因此被廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)[1]。

由于功率器件要耐高電壓大電流，引線鍵合的鍵合點(diǎn)質(zhì)量直接影響IGBT模塊的可靠性，因此提高IGBT引線鍵合強(qiáng)度，降低引線脫落的概率，有助于提高器件的穩(wěn)定性和壽命，鍵合參數(shù)優(yōu)化、材料選擇、鍵合工具的正確使用是提高鍵合可靠性的主要途徑，其中最關(guān)鍵的是鍵合參數(shù)的優(yōu)化。

本文結(jié)合功率器件自身特性，研究多鍵合點(diǎn)情況下芯片區(qū)域第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)參數(shù)特征，通過(guò)測(cè)試鍵合點(diǎn)的剪切力，研究鍵合參數(shù)與鍵合質(zhì)量的關(guān)系。首先采用單因子法，分別對(duì)不同因素進(jìn)行研究，確定出各因素的水平，然后使用正交試驗(yàn)法得出最佳鍵合參數(shù)組合，并對(duì)比第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)的差異。

2 功率器件引線鍵合工藝

2.1 鍵合材料

常用于鍵合的原材料有金、銅和鋁。金線成本較高，適用于小電流產(chǎn)品；銅線成本遠(yuǎn)低于金線，機(jī)械強(qiáng)度高，焊接后線弧具有良好的穩(wěn)定性，適用于大電流應(yīng)用，但是容易發(fā)生氧化，鍵合過(guò)程需要?dú)怏w保護(hù)，鍵合點(diǎn)容易開(kāi)裂。IGBT作為大功率器件，引線中有大電流通過(guò)，因此通常采用高純粗鋁線鍵合。

2.2 鍵合方式

按照超聲能量分類(lèi)，應(yīng)用范圍較廣的引線鍵合工藝主要是熱超聲球形鍵合、超聲楔形鍵合[2]，2種鍵合方式如圖1所示。

圖1 引線鍵合示意圖

（1）熱超聲球形鍵合，在對(duì)引線和鍵合區(qū)加熱的同時(shí)增加超聲振動(dòng)，使焊球和芯片接觸區(qū)形成塑性變形，破壞表面氧化層，通過(guò)界面處原子互相擴(kuò)散形成固溶組織完成焊接。熱超聲鍵合通常適用于銅絲或金絲，具有強(qiáng)度高、可靠性好的優(yōu)勢(shì)。

（2）超聲楔形鍵合在施加壓力的同時(shí)，通過(guò)超聲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊接，在鍵合工具超聲振動(dòng)和鍵合壓力的作用下，引線和焊盤(pán)在摩擦力的作用下暴露出純凈的金屬表面，并發(fā)生強(qiáng)烈的原子擴(kuò)散和塑性流動(dòng)，使引線和焊盤(pán)相互粘合而形成鍵合。焊接參數(shù)調(diào)節(jié)靈活，焊接范圍較廣，功率器件封裝多采用高純粗鋁絲超聲楔形鍵合的方式。

本文研究楔形鍵合，以?xún)牲c(diǎn)鍵合為例，楔形鍵合的主要過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 超聲楔形鍵合過(guò)程

其中鍵合第一點(diǎn)和第二點(diǎn)過(guò)程中，劈刀以一定的靜態(tài)壓力（鍵合壓力）將引線壓到被鍵合表面，換能器施加一定時(shí)間（鍵合時(shí)間）的超聲振動(dòng)能量（超聲功率）形成鍵合點(diǎn)，所以鍵合主要工藝參數(shù)為超聲功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間。

2.3 鍵合檢驗(yàn)

通常采用鍵合拉力測(cè)試、剪切力測(cè)試這兩種破壞性的測(cè)試方法對(duì)鍵合質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。鍵合線拉力測(cè)試有諸多決定因素，如拉力、拉力點(diǎn)位置、引線長(zhǎng)度、拉力角度等[3]，測(cè)試常有一定偏差。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)測(cè)試粗鋁線拉力時(shí)，斷裂位置通常為鍵合線本身，極少有焊點(diǎn)脫落的情況，測(cè)試數(shù)據(jù)與引線本身的強(qiáng)度關(guān)系較大，且不能反映出弧兩端鍵合點(diǎn)強(qiáng)度的差異；功率器件中粗鋁絲楔形鍵合通常采用平行槽口劈刀，剪切力較高，鍵合質(zhì)量能夠用剪切力測(cè)試儀進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)；因此，剪切力測(cè)試是衡量鍵合點(diǎn)強(qiáng)度的最佳方式。

2.4 功率器件IGBT引線鍵合方式

功率器件引線鍵合方式普遍采用楔形超聲鍵合，材料為高純鋁線。為保證均流效果，IGBT芯片上表面往往不單獨(dú)設(shè)置打線PAD點(diǎn)，芯片上表面為金屬化的電極，即為鍵合區(qū)。隨著IGBT向更大電流電壓發(fā)展，芯片尺寸相應(yīng)增大，IGBT模塊性能要求更高，往往需要搭配二極管使用，因此芯片表面鍵合點(diǎn)增加，IGBT模塊的鍵合方式由傳統(tǒng)的單芯片兩點(diǎn)鍵合演變?yōu)閱涡酒帱c(diǎn)鍵合、多芯片多點(diǎn)鍵合，如圖3所示。

圖3 IGBT模塊鍵合方式

球形焊接中一焊和二焊方式有差異，文獻(xiàn)[4]中也有研究球形焊接第一焊點(diǎn)鍵合特性的報(bào)道，但鮮有楔形焊接不同焊點(diǎn)的研究。本文重點(diǎn)研究芯片區(qū)域第一鍵合點(diǎn)與第二鍵合點(diǎn)的鍵合特性，采用剪切力測(cè)試方法，研究不同鍵合參數(shù)對(duì)兩類(lèi)焊點(diǎn)鍵合質(zhì)量的影響，對(duì)于提高整體鍵合強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義。

3 鍵合單因素對(duì)鍵合剪切力的影響

上一節(jié)介紹的影響鍵合主要因素為超聲功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間。本試驗(yàn)設(shè)備采用奧地利F&K公司FS5850超聲鍵合機(jī)，香港瑞茵MFM1000系列多功能推拉力測(cè)試機(jī)，材料為賀利氏381μm粗鋁絲，分別對(duì)芯片上第一、二鍵合點(diǎn)進(jìn)行剪切力測(cè)試。首先利用控制變量法對(duì)單因子進(jìn)行研究，單因子試驗(yàn)中選取基礎(chǔ)參數(shù)分別為90%、680 g、120 ms。

3.1 超聲功率對(duì)焊點(diǎn)剪切力的影響

鍵合壓力和鍵合時(shí)間不變，分別測(cè)試第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)不同超聲功率下的剪切力，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，超聲功率為160%時(shí)，第一鍵合點(diǎn)剪切力達(dá)到2.523 kg，超聲功率為180%時(shí)，第二鍵合點(diǎn)剪切力達(dá)到2.759 kg。兩類(lèi)鍵合點(diǎn)的剪切力都是隨著功率的增大先增大后減小，呈現(xiàn)出拋物線趨勢(shì)。這是由于超聲鍵合過(guò)程中超聲發(fā)生器發(fā)出超聲波，經(jīng)過(guò)換能器放大，在劈刀尖端具有最大振幅，功率越大，振幅越大，對(duì)鍵合點(diǎn)的作用也越大，但是隨著超聲功率加大，過(guò)多的超聲能量會(huì)使已經(jīng)完成鍵合的區(qū)域嚴(yán)重變形，因此強(qiáng)度下降[5]，鍵合點(diǎn)剪切力下降。

表1 兩鍵合點(diǎn)不同超聲功率下的剪切力

從試驗(yàn)數(shù)值上可以看到，兩類(lèi)鍵合點(diǎn)剪切力隨著鍵合功率的變化整體趨勢(shì)一致，相同超聲功率下，第二鍵合點(diǎn)的剪切力大于第一鍵合點(diǎn)，分別對(duì)二者進(jìn)行二階多項(xiàng)式擬合，擬合曲線見(jiàn)圖4，兩類(lèi)鍵合點(diǎn)的剪切力與功率關(guān)系式如式（1）（2）所示。

圖4 兩鍵合點(diǎn)不同超聲功率下剪切力二階多項(xiàng)式擬合曲線

式中x為鍵合功率，Y1為第一焊點(diǎn)剪切力，Y2為第二焊點(diǎn)剪切力。利用最值分析法，式（1）（2）的最大值分別為（180.753，2.474）、（175.788，2.663），由結(jié)果可知，第二鍵合點(diǎn)剪切力的最大值大于第一鍵合點(diǎn)，最大值對(duì)應(yīng)的鍵合功率第一鍵合點(diǎn)大于第二鍵合點(diǎn)。

3.2 鍵合壓力對(duì)第一焊點(diǎn)、第二焊點(diǎn)剪切力的影響

超聲功率和鍵合時(shí)間不變，對(duì)不同鍵合壓力下焊點(diǎn)的剪切力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，擬合曲線見(jiàn)圖5。

圖5 兩鍵合點(diǎn)不同鍵合壓力下剪切力二階多項(xiàng)式擬合曲線

表2 兩鍵合點(diǎn)不同鍵合壓力下的剪切力

鍵合壓力主要作用有兩個(gè)，一是保證引線與芯片之間緊密接觸，增加引線與芯片焊接區(qū)域的接觸面積，二是使引線產(chǎn)生一定的塑性形變，破壞表面的氧化膜，暴露出新鮮的金屬表面，有利于形成可靠的鍵合點(diǎn)。在超聲功率一定的條件下，增加鍵合壓力有利于提高鍵合質(zhì)量，但是，鍵合壓力過(guò)大的時(shí)候引線嚴(yán)重變形，進(jìn)而降低鍵合強(qiáng)度，因此表現(xiàn)為剪切力先隨鍵合壓力增大而增大，然后隨鍵合壓力減小而減小的趨勢(shì)。

分別對(duì)二者進(jìn)行二階多項(xiàng)式擬合，擬合曲線見(jiàn)圖5，兩個(gè)鍵合點(diǎn)的剪切力與功率關(guān)系式如式（3）（4）所示。

式中x′為鍵合壓力，Y1′為第一焊點(diǎn)剪切力，Y2′為第二焊點(diǎn)剪切力。利用最值分析法，式（3）（4）的最大值分別為（969.93，2.016）、（984.75，2.226），由結(jié)果可知，第二鍵合點(diǎn)的最大值大于第一鍵合點(diǎn)，最大值對(duì)應(yīng)的鍵合壓力第二鍵合點(diǎn)也大于第一鍵合點(diǎn)。

3.3 鍵合時(shí)間對(duì)第一焊點(diǎn)、第二焊點(diǎn)剪切力的影響

保持超聲功率和鍵合壓力不變，對(duì)不同鍵合時(shí)間下焊點(diǎn)的剪切力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 兩類(lèi)鍵合點(diǎn)不同鍵合時(shí)間下的剪切力

剪切力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)為先隨著鍵合時(shí)間增加而增大，達(dá)到一定的閾值后趨緩，第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)的閾值分別為140 ms和120 ms。閾值對(duì)應(yīng)的最大值第二鍵合點(diǎn)大于第一鍵合點(diǎn)。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間超聲影響使得界面原子擴(kuò)散形成牢固的鍵合，同時(shí)超聲振動(dòng)也導(dǎo)致粗鋁絲產(chǎn)生沖擊，形成裂紋，隨著超聲時(shí)間的增加，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致鋁絲疲勞過(guò)度，鍵合失效，即出現(xiàn)過(guò)鍵合的根切狀態(tài)[7]。

4 鍵合多因素正交試驗(yàn)及分析

4.1 正交試驗(yàn)及極差分析法

以上討論了超聲功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間3個(gè)因素分別對(duì)第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)的影響。根據(jù)2.2節(jié)所述鍵合原理，鍵合強(qiáng)度是3個(gè)因素交互作用的結(jié)果，為了得到鍵合點(diǎn)剪切力最大值，需要同時(shí)考慮這3個(gè)因素的作用。每個(gè)因素分別選取兩個(gè)水平，根據(jù)正交試驗(yàn)法和極差分析法[8]進(jìn)一步研究?jī)深?lèi)鍵合點(diǎn)剪切力的影響因素。表4為三因素兩水平正交表。

表4 三因素兩水平正交試驗(yàn)

4.2 正交試驗(yàn)及極差分析結(jié)果

根據(jù)之前單因子驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，第一鍵合點(diǎn)超聲功率選取160%、180%，鍵合壓力選取900 g、1000 g，鍵合時(shí)間選取140 ms、160 ms；第二鍵合點(diǎn)超聲功率選取160%、180%，鍵合壓力選取900 g、1000 g，鍵合時(shí)間選取140 ms、160 ms，進(jìn)行多因子正交試驗(yàn)，結(jié)果分別如表5、6所示，極差計(jì)算值見(jiàn)表7、8。

表6 第二鍵合點(diǎn)多因子正交試驗(yàn)結(jié)果

表7 第一鍵合點(diǎn)剪切力極差

通過(guò)表5和表7得出，第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)剪切力最大值為2.507 kg、2.522 kg，對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)（超聲功率，鍵合壓力，鍵合時(shí)間）分別為（180，1000，140）、（180，1000，120）。從表7和表8所示的極差值R上來(lái)看，兩類(lèi)鍵合點(diǎn)的鍵合參數(shù)存在差異，鍵合功率對(duì)第一鍵合點(diǎn)的影響比較大，鍵合壓力對(duì)第二鍵合點(diǎn)的影響比較大。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，分別注意這兩個(gè)因素對(duì)于鍵合點(diǎn)的影響。試驗(yàn)結(jié)果還證實(shí)，芯片區(qū)域第二鍵合點(diǎn)的剪切力大于第一鍵合點(diǎn)，即第二鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度大于第一鍵合點(diǎn)，在參數(shù)調(diào)整過(guò)程中，要重點(diǎn)提高第一鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度，進(jìn)而提高整體鍵合的可靠性。

表8 第二鍵合點(diǎn)剪切力極差

5 結(jié)論

本文探討了功率器件超聲楔形鍵合中多鍵合點(diǎn)情況下，鍵合參數(shù)對(duì)芯片上第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)剪切力的影響，得出剪切力隨超聲功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間的變化規(guī)律，并進(jìn)行了機(jī)理分析。在單因子試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定各參數(shù)的水平并進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)參數(shù)組合，通過(guò)極差分析法得出初步結(jié)論；在多因素鍵合參數(shù)的作用下，一焊剪切力受鍵合功率影響顯著，二焊剪切力受鍵合壓力影響較為顯著，第二鍵合點(diǎn)的剪切力最大值大于第一件鍵合點(diǎn)的；進(jìn)一步得出結(jié)論，芯片區(qū)域兩類(lèi)鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度具有差異，在鍵合工藝調(diào)整過(guò)程中，要分別考慮鍵合引線兩端鍵合點(diǎn)的特征，使兩鍵合點(diǎn)均達(dá)到最高強(qiáng)度，降低引線兩端鍵合點(diǎn)處脫落的風(fēng)險(xiǎn)，有助于提高引線整體鍵合強(qiáng)度，對(duì)于功率器件穩(wěn)定性和使用壽命具有重要意義。