基于剪切力测试的DBC铜线键合工艺优化研究

随着现代电子技术的飞速发展，集成电路封装技术的要求也在不断提高。特别是在功率电子领域，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为关键的功率器件，其性能和可靠性直接影响到整个系统的稳定性和效率。在IGBT模块中，引线键合技术是实现芯片与外部电路连接的重要手段，而键合材料的选择和键合工艺参数的优化则是确保键合质量的关键因素。

铜线作为一种新型的键合材料，相较于传统的铝线和金线，展现出了更为优异的导电和导热性能。这使得铜线在承载大电流的应用中，能够在不增加键合线数量的前提下，提高电流传输能力和散热效率，从而增强IGBT模块的性能。然而，铜线键合工艺的参数优化和可靠性分析仍然是一个亟待解决的问题。

本文科准测控小编旨在通过对DBC（覆铜陶瓷基板）上铜线超声楔形键合工艺参数的研究，探索影响键合质量的关键因素，并优化工艺参数。我们以剪切力作为衡量键合质量的标准，采用单因素分析法研究各参数对键合点强度的影响，并利用正交试验方法确定最佳工艺参数组合。通过这些研究，我们期望为铜线键合工艺的参数设定提供科学依据和指导方法，进而提高IGBT模块的可靠性和寿命。

一、试验方法及设备

1、试验内容

本研究选用纯度为99.99%、直径15 mil（0.381毫米）的贺利氏（Heraeus）铜线作为引线键合材料。该铜线具有401 W/(m·K)的热导率和1.69 μΩ/cm的电阻率。实验中，我们使用FS 5850型超声键合机进行超声楔形键合。研究的变量包括超声功率、键合压力、键合时间和切丝高度。本文的核心目标是探究引线键合参数的优化，以确保键合的可靠性并避免键合缺陷。

由于键合点的脱落和由内应力引起的断线问题直接关联到引线的力学性能，因此，我们选择机械参数检测作为评估键合质量的标准。考虑到破坏性拉力测试因拉断位置和角度的不同而存在误差，并且无法准确反映两个键合点强度的差异，我们选择剪切力测试作为评估键合点强度的主要方法。通过测量两个键合点的剪切力，我们可以评估键合点与基板之间的粘接质量。

2、常用检测设备

1. Alpha-W260推拉力测试机
   

a、多功能焊接强测试仪是用于为微电子引线键合后引线焊接强度测试、焊点与基板表面粘接力测试及其失效分析领域的专用动态测试仪器，常见的测试有晶片推力、金球推力、金线拉力等，采用高速力值采集系统。

b、根据测试需要更换相对应的测试模组,系统自动识别模组量程。可以灵活得应用到不同产品的测试，每个工位独立设置安全高度位及安全限速，防止误操作对测试针头造成损坏。且具有测试动作迅速、准确、适用面广的特点。

c、适用于半导体IC封装测试、LED 封装测试、光电子器件封装测试、PCBA电子组装测试、汽车电子、航空航天、军工等等。亦可用于各种电子分析及研究单位失效分析领域以及各类院校教学和研究。

2. 设备特点
   

3、试验流程

a、设备设置

确保Alpha-W260多功能推拉力测试机处于良好工作状态。

调整测试机的剪切高度至10微米，以适应DBC样品的测试需求。

设置推球速度为100微米/秒，以保证测试的准确性和重复性。

b、样品准备

准备DBC（覆铜陶瓷基板）样品，确保其表面清洁无污染。

标记DBC上的第一和第二键合点，以便准确进行测试。

c、测试准备

将DBC样品固定在测试机的夹具上，确保样品稳定且键合点位置正确对准测试机的推球。

检查样品与测试机的接触情况，避免在测试过程中发生位移。

d、剪切力测试

启动测试机，让推球接触DBC上的键合点，并按照设定的参数进行剪切力测试。

对每个键合点重复测试，以确保数据的准确性和可靠性。

e、数据记录

记录每个键合点的剪切力测试结果，包括剪切力的大小和任何异常情况。

对测试数据进行初步分析，检查是否有异常值或需要重复测试的数据点。

f、测试后处理

测试完成后，将DBC样品从测试机上取下，并进行适当的清洁和保养。

对测试机进行必要的维护，确保设备处于最佳状态，以备下次使用。

g、数据分析

对收集到的剪切力数据进行详细分析，计算平均值、标准差等统计参数。

根据剪切力测试结果评估键合点的粘接质量。

h、结果评估

根据剪切力测试结果，评估DBC上第一和第二键合点的键合强度。

确定是否需要对键合工艺参数进行调整，以优化键合质量。

二、试验结果分析

1、引线键合效果摘要

键合参数影响楔形键合结果，导致两种失效模式：剥离和根切。

理想键合显示两个键合点与金属紧密接触，形成机械连接。

单因素对剪切力影响摘要

2、超声功率

最佳范围：23-37 W，过小或过大功率均降低键合强度。

最大剪切力：第一键合点在33.946 W，第二键合点在36.072 W。

3、键合压力

最佳范围：800-1400 g，过小或过大压力均降低键合强度。

最大剪切力：第一键合点在1531.793 g，第二键合点在1375.579 g。

4、键合时间

剪切力随时间增加而增加，320 ms后增速放缓。

最大剪切力：第一键合点在367.208 ms，第二键合点在480.000 ms。

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审核编辑 黄宇