AMB陶瓷基板铝线键合强度的研究.pdf

2024年1月第1期94郭珍云 王强 黄建国 谭永红(深圳市博敏电子有限公司，广东 深圳 5 1 8 1 0 3)特点。目前 IGBT 模块中，大功率芯片通常采用铝丝楔形焊的键合工艺来完成功率芯片的电气互连。为了实现更稳定、更可靠、更大电流的互连，铝丝键合已不能满足要求，粗铝线是将直径大于 100m 小于500m 的铝线进行超声波焊接的一种互联工艺技术。以直径 300m 的粗铝线为例，单根线能够承受直流约为 21A28A 的大电流。粗铝线键合实物如图随着 IGBT 功率模块研发技术的快速发展，器件的小型化和输出电流的提高，对工艺提出了更高的需求，粗铝线键合工艺具有低弧度、高强度、大通流的AMB 陶瓷基板铝线键合强度的研究Study on bonding strength of aluminum wire on AMB ceramic substrateGuo Zhenyun,Wang Qiang,Huang Jianguo,Tan Yonghong【摘要】A MB陶瓷基板铝线键合强度对 I G B T功率模块的可靠性影响非常大，通常此类产品的可靠性测试项目包括机械振动、机械冲击、高温老化、低温老化、温度循环和功率循环等。长时间的机械和温度循环实验很容易导致键合线脱落和断裂，而键合线失效会直接导致模块无法正常工作。为了提高 I G B T功率模块的可靠性，在实际的 A MB陶瓷基板生产过程中，就需要控制好产品的铝线键合强度。本文从分析铝线焊点的根部断裂过程和机理入手，结合生产实际，针对铝线关键焊接参数对键合强度的影响程度进行研究，对实验结果使用数理统计的方法进行分析计算，得到了比较稳定的工艺参数。A b s t r a c t T h e b o n d i n g s t r e n g t h o f A MB c e r a mi c s u b s t r a t e a l u mi n u m wi r e h a s a g r e a t i mp a c t o n t h e r e l i a b i l i t y o f I G B T p o we r mo d u l e s.G e n e r a l l y,t h e r e l i a b i l i t y t e s t i t e ms o f s u c h p r o d u c t s i n c l u d e me c h a n i c a l v i b r a t i o n,me c h a n i c a l s h o c k,h i g h t e mp e r a t u r e a g i n g,l o w t e mp e r a t u r e a g i n g,T e mp e r a t u r e c y c l i n g a n d p o we r c y c l e.L o n g t i me me c h a n i c a l a n d T e mp e r a t u r e c y c l i n g e x p e r i me n t s c a n e a s i l y l e a d t o t h e f a l l o f f a n d f r a c t u r e o f t h e b o n d i n g l i n e,a n d t h e f a i l u r e o f t h e b o n d i n g l i n e wi l l d i r e c t l y l e a d t o t h e f a i l u r e o f t h e mo d u l e.I n o r d e r t o i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f I G B T p o we r mo d u l e s,i t i s n e c e s s a r y t o c o n t r o l t h e a l u mi n u m wi r e b o n d i n g s t r e n g t h o f t h e p r o d u c t i n t h e a c t u a l p r o d u c t i o n p r o c e s s o f A MB c e r a mi c s u b s t r a t e s.T h i s a r t i c l e s t a r t s wi t h t h e a n a l y s i s o f t h e r o o t f r a c t u r e p r o c e s s a n d me c h a n i s m o f a l u mi n u m wi r e s o l d e r j o i n t s,a n d c o mb i n e s wi t h p r o d u c t i o n p r a c t i c e t o s t u d y t h e i mp a c t o f k e y we l d i n g p a r a me t e r s o n b o n d i n g s t r e n g t h o f a l u mi n u m wi r e.T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s a r e a n a l y z e d a n d c a l c u l a t e d u s i n g ma t h e ma t i c a l s t a t i s t i c s me t h o d s,a n d r e l a t i v e l y s t a b l e p r o c e s s p a r a me t e r s a r e o b t a i n e d.【关键词】I G B T；陶瓷基板；键合强度；铝线；焊接参数K e y Wo r d s I G B T;c e r a mi c s u b s t r a t e;B o n d i n g s t r e n g t h;A l u mi n u m wi r e;We l d i n g p a r a me t e r s第一作者简介：郭珍云，现就职于深圳市博敏电子有限公司微芯事业部，担任品质部可靠性工程师一职。0 前言95PCB InformationJAN.2024 NO.11.1 工作原理铝线键合的原理是压电陶瓷将超声发生器产生的高频正弦功率信号转变成机械振动，振动经传输放大并汇聚后作用在键合界面上，在机械能和键合力的作用下，劈刀中的铝线与界面发生摩擦，去除沾污并且将界面氧化膜破碎，纯净的金属表面原子在温升及高频振动下变为激活状态。当共价键的金属原子接近到纳米级的距离时，通过超声波摩擦振动，使铝线和封装管脚或芯片实现联接达到芯片元件的功能通路。1.2 键合过程用楔形劈刀将铝线压在基板的焊盘上，通过楔形劈刀传导热量与超声能量，将铝线热压形成需要的形状，将实现铝线和焊盘固定，接着楔形劈刀斜压，从而使得楔形劈刀的楔形刀头的侧端在铝线上压出刃口，楔形劈刀旁边的切刀沿着刃口将铝线切断，完成键合。1.3 焊接要求铝线键合点的线尾长度应大于等于 0.1 倍线径。焊点长度应大于等于 1.5 倍线径，小于等于 5.0 倍线径。焊点宽度应大于等于 1.2 倍线径，小于等于 3.0 倍线径，键合焊点实物图如图 2 所示。2.1 键合时间键合时间是决定能量的一个重要参数，在功率和压力一定的情况下，如果键合时间长，引起过分的摩擦，键合不牢，而且过多能量集中在铝线上，造成铝线本身受损；如果时间过短，提供的能量不够，键合点当然就不够牢固。不同键合时间剪切力实验结果如表 1。图 1 粗铝线键合实物图图 2 键合焊点实物图表 1 键合时间与剪切力对比表键合时间(ms)剪切力(g f)铝线残留界面说明1 0 08 2 3.5 6键合时间1 0 0 ms 时，剪切力小，且铝线残留不足1 0 08 6 7.8 91 0 08 8 5.4 13 0 01 2 3 4.2 9 4键合时间3 0 0 ms 时，剪切力大于 1 2 0 0 g f，铝线残留大于 6 0%3 0 01 2 9 8.8 0 93 0 01 2 3 2.5 9 35 0 01 5 8 2.3 5 5键合时间5 0 0 ms 时，剪切力大于 1 5 0 0 g f，铝线残留大于 9 0%5 0 01 5 2 0.7 4 75 0 01 5 3 3.2 7 28 0 01 6 3 7.7 6 5键合时间8 0 0 ms 时，剪切力大于 1 6 0 0 g f，铝线残留大于 1 0 0%8 0 01 6 0 5.8 8 68 0 01 6 2 1.2 1 41 0 0 01 6 0 8.2 9 7键合时间1 0 0 0 ms 时，剪切力大于 1 6 0 0 g f，铝线残留大于 1 0 0%1 0 0 01 6 1 4.8 3 51 0 0 01 6 2 6.5 6 41 键合工艺解析2 键合参数实验1 所示。从上表剪切力数据分析可知，短的键合时间条件下主要键合失效模式为剪切力小和铝线残留少，主要是由于键合界面原子扩散不够。而长的键合时间条件下的键合失效模式多为根切，表明键合界面原子扩散虽然足够，但是长时间的超声振动会导致粗铝线产生疲劳断裂，形成过键合。从剪切力数据来看，当键合时间达到一定数值时，剪切力强度不会再继续增大。根据键合的剪切力大于 1000gf 和残留大于 50%要求评估，理想的键合时间为 500ms。2.2 超声功率超声功率对键合质量的影响最大，过小的功率会导致未成形的线尾翘起，过大的功率会导致焊线根部断裂和焊盘破裂。超声波振动是导致焊盘破裂的最大原因，增大超声功率通常需要增大键合力使更多的超声能量通过键合工具传递到键合点处，过大的键合力会阻碍键合工具的运动，抑制超声能量的传导，导致2024年1月第1期96根据 AMB 陶瓷基板铝线键合强度的关键参数键合时间、超声功率和焊接压力实验结果，抽取 11 个样品进行键合铝线剪切力强度验证，数据统计试验验证结果数据表见表 4，铝线键合剪切力趋势图如图 3。验得出理想的焊接压力是 300g。污染物和氧化物被推到了键合区域的中心形成中心未键合区域。不同超声功率剪切力实验结果如表 2。4 总结3 试验验证表 2 超声功率与剪切力对比表表 3 焊接压力与剪切力对比表超声功率(mw)剪切力(g f)铝线残留界面说明1 0 02 0 8.5 2 1超声功率 1 0 0 mw时，剪切力小，且铝线残留不足1 0 02 1 0.3 5 61 0 02 0 9.2 2 82 5 08 6 3.0 5 6超声功率 2 5 0 mw时，剪切力大于 8 0 0 g f，铝线残留大于 5 0%2 5 08 4 8.9 9 52 5 08 6 0.2 4 73 5 01 2 5 7.0 1 4超声功率 3 5 0 mw时，剪切力大于 1 2 0 0 g f，铝线残留大于 9 0%3 5 01 2 4 8.9 6 73 5 01 2 6 1.2 3 55 0 01 2 3 8.9 6 1超声功率 5 0 0 mw时，剪切力大于 1 2 0 0 g f，铝线残留大于 1 0 0%5 0 01 2 2 1.3 5 45 0 01 2 5 2.3 6 1焊接压力(g)剪切力(g f)铝线残留界面说明1 0 07 3 6.3 2 8焊接压力 1 0 0 g时，剪切力小，且铝线残留不足1 0 07 5 4.0 9 61 0 07 4 8.6 6 22 0 01 0 2 3.2 5 4焊接压力 2 0 0 g时，切力大于 1 0 0 0 g f，线尾过长，铝线残留大于 5 0%2 0 01 0 0 3.4 7 12 0 01 0 2 4.3 2 53 0 01 3 2 5.4 5 4焊接压力 3 0 0 g时，剪切力大于 1 3 0 0 g f，铝线残留大于 9 0%3 0 01 3 6 5.2 6 73 0 01 4 0 2.3 6 94 0 01 2 3 3.2 6 5焊接压力 4 0 0 g时，剪切力大于 1 2 0 0 g f，铝线残留大于 5 0%4 0 01 2 4 2.1 2 44 0 01 4 2 1.3 2 4图 3 铝线键合剪切力趋势图从不同超声功率剪切力数据来看，剪切力并不是不断地增加。当功率在一定范围时，剪切力随着功率的增加而增加，但是当功率增大到一定值时，剪切力随着功率的增加而减小。通过在高倍显微镜下观察键合表面特征，当超声功率较小时铝线不能完全与铜面紧密结合，而超声功率较大时铝线能够完全与铜面紧密结合，但是剪切力强度不会再增大，根据本次实验得出理想的超声功率是 350mw。2.3 焊接压力焊接压力主要是使引线与基板的键合表面紧密地接触在一起，焊接压力直接影响焊点的键合质量。如果压力太小，劈刀不能牢固地压住铝线，超声功率不能传递到铝线与铜面的交界面上，不能产生相对摩擦去除氧化层，以至焊接不牢固，同时会造成引线与键合工具端面粘连现象；而压力过大，会使引线的变形增大，甚至切断引线，破坏焊盘，焊接压力与剪切力对比表见表 3。根据焊接压力与剪切数据对比，焊接压力 100g 时铝线与铜面不能紧密结合，导致剪切力小，且键合界面铝线残留少。焊接压力 200g 时铝线不能完全贴近表面，导致焊盘和剪切力都过小。当焊接压力 400g 时剪切应力过大，焊点发生撕裂，造成键合点出现微裂纹，铝线残留少，剪切力没有继续增加，通过焊接压力试本文首先通过解析 AMB 陶瓷基板的铝线键合原理，再利用键合强度的关键参数进行实验，通过实验总结出键合时间、超声功率和焊接压力对剪切力的影响程度，最后通过实验验证和剪切力测试结果分析手段，总结出键合时间太短，会导致焊点处的铝线与铜面的吸附层和氧化层不能被有效清除，在未形成原子间的键合振动就已停止键合动作；键合时间过长，焊点变形大，焊接同样不牢靠。超声功率过小，氧化物去97PCB InformationJAN.2024 NO.1而压力过大，会导致引线变形增大。根据以上实验验证结果来优化铝线键合工艺，才能有效提高 AMB 陶瓷基板铝线键合强度的实际可靠性能力。(责任编辑 谢万丽)表 4 剪切力测试数据表键合点 1键合点 2键合点 3键合点 4键合点 5键合点 6键合点 7键合点 8键合点 9键合点 1 0样品 11 3 5 8.5 5 51 3 5 9.8 0 31 4 7 6.4 5 21 3 8 5.9 6 71 3 8 6.3 71 4 0 5.2 6 21 4 3 0.2 2 21 4 1 2.8 3 51 3 9 0.5 41 3 4 2.6 1 5样品 21 4 4 7.5 6 61 2 9 5.6 71 3 6 9.21 3 8 7.4 7 91 4 1 4.5 6 61 4 5 9.5 9 41 4 8 0.3 5 11 3 1 5.1 7 81 3 8 9.2 6 11 5 3 1.8 5 5样品 31 3 9 5.7 9 61 3 8 5.1 9 91 4 8 2.9 1 51 3 7 8.5 7 21 4 5 5.8 2 91 3 9 9.6 8 71 4 2 8.3 5 41 3 7 2.2 7 91 4 7 1.5 2 81 4 0 6.8 2样品 41 3 3 3.9 4 41 3 6 8.6 0 21 5 3 4.4 6 61 3 2 5.3 7 51 3 1 8.3 0 11 4 5 9.0 7 81 4 0 2.9 8 61 4 2 2.8 8 81 3 6 8.2 61 4 7 8.1 7 6样品 51 3 9 0.1 0 81 3 5 8.0 5 31 3 7 5.6 8 41 4 1 1.1 0 61 4 5 2.8 0 31 4 0 2.2 4 71 3 9 2.2 6 61 3 5 7.7 3 91 3 8 5.0 6 91 4 0 1.1 8 4样品 61 4 0 4.0 9 41 4 4 9.2 0 31 3 9 0.7 0 81 4 1 1.5 8 91 4 4 3.0 1 21 4 4 2.1 6 21 4 0 8.4 0 51 4 0 9.8 8 51 3 4 3.9 1 91 3 9 3.1 0 7样品 71 4 4 3.3 8 91 3 7 3.4 5 51 3 3 1.8 2 71 3 1 4.8 2 71 3 3 1.6 41 3 3 3.4 6 31 3 9 6.4 5 61 4 4 0.4 6 31 3 5 7.2 41 4 6 0.7 2 2样品 81 3 6 5.2 1 41 4 5 4.7 9 61 4 2 3.3 4 41 4 6 7.2 5 81 4 3 8.6 3 21 4 6 0.7 0 61 5 0 1.3 7 71 3 1 5.2 0 91 3 9 3.8 0 51 4 5 8.6 2 4样品 91 4 5 4.9 7 41 3 9 4.7 61 4 0 3.0 7 21 3 7 9.6 9 31 4 5 7.8 6 91 4 3 9.3 6 91 3 3 5.2 1 21 3 8 4.9 0 81 3 4 1.1 4 71 4 9 7.2 6 3样品 1 01 3 4 7.3 0 11 3 9 2.1 3 91 3 7 5.8 51 4 1 6.7 1 91 4 1 5.1 6 61 3 8 1.4 7 41 4 0 8.7 0 51 4 5 5.8 9 41 3 8 9.3 9 81 5 0 5.9 6 7样品 1 11 3 2 8.4 8 81 4 6 8.3 2 41 3 2 1.8 5 51 4 1 3.4 6 41 3 8 5.4 1 81 4 5 6.0 9 51 4 6 6.2 2 71 4 9 0.1 1 11 3 8 6.4 4 91 4 2 7.0 4 7除不干净，会焊接不牢固；超声功率过大，会导致焊点变形严重，焊接不牢固。焊接压力太小，劈刀不能牢固地压住铝线，超声功率不能传递到铝线与铜面的交接面上，不能产生相对摩擦去除氧化层，导致焊接不牢固；