方化潮 鄭利兵 王春雷 韓 立 方光榮

陶瓷覆銅基板表面形貌對(duì)超聲可鍵合性的影響

方化潮1,2,3鄭利兵1,3王春雷1,2,3韓 立1,3方光榮1,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)信息學(xué)院 北京 100180 3. 北京市生物電磁學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190）

陶瓷覆銅基板在大功率電力電子器件封裝模塊中有著重要的應(yīng)用，作為傳統(tǒng)模塊電氣互連的重要組成部分，其通過(guò)超聲鍵合技術(shù)將鍵合引線與其相連實(shí)現(xiàn)電氣互連，因此，陶瓷覆銅基板的可鍵合性直接決定了模塊生產(chǎn)的可靠性和成品率。以前的研究主要集中在鍵合參數(shù)（鍵合功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間）對(duì)鍵合性能的影響，本文則從陶瓷覆銅基板表面形貌幾何形態(tài)的角度出發(fā)，研究了其對(duì)陶瓷覆銅基板與粗鋁線超聲可鍵合性的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，基板表面形貌的幾何特性對(duì)可鍵合性能有著重要的影響，一方面，表面輪廓的微觀不平度的平均間距Sm（空間頻率特性）影響超聲可鍵合性。平均間距Sm越小，表面紋理越細(xì)密，其可鍵合區(qū)域大，鍵合成功率較高；反之，Sm參數(shù)太大，則會(huì)削弱基板的可鍵合性。另一方面，表面粗糙度Ra影響鍵合強(qiáng)度的穩(wěn)定性，在鍵合成功的前提下，表面粗糙度越小，其鍵合強(qiáng)度的離散性越小。并利用頻譜分析方法及摩擦學(xué)的理論對(duì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行了理論分析解釋。

陶瓷覆銅基板 表面形貌 超聲鍵合 鍵合強(qiáng)度 可鍵合性

1 引言

陶瓷覆銅基板（Direct Bonding Copper，DBC）是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）陶瓷基片表面（單面或雙面）上的特殊工藝方法，制成的復(fù)合板具有優(yōu)良的電絕緣性能、高導(dǎo)熱性、高軟釬焊性、高附著強(qiáng)度、高電流承載能力。DBC基板還可刻蝕出各種圖形，已成為大功率電力電子器件如絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Biopolar Thransistor，IGBT）封裝結(jié)構(gòu)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料，作為電力電子裝置的一部分，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車、風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、柔性直流輸電、蓄電池、牽引傳動(dòng)（高鐵、動(dòng)車、飛機(jī)）等領(lǐng)域中[1-4]。

在功率半導(dǎo)體封裝模塊（如大功率IGBT模塊）中，DBC被用作功率芯片的載體，作為電氣、熱流回路的一部分。通過(guò)超聲鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片電極與DBC版圖的電氣連接，進(jìn)而引出到端子，實(shí)現(xiàn)電氣的互聯(lián)。鍵合質(zhì)量不好的 IGBT模塊在運(yùn)行中容易引起鍵合線的脫落，使電流分配不均，一方面導(dǎo)致IGBT模塊內(nèi)部的出現(xiàn)溫度奇異點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT模塊失效[5]，另一方面會(huì)引起模塊內(nèi)部雜散參數(shù)的變化[6]，降低動(dòng)態(tài)性能。因此，對(duì)DBC的引線鍵合工藝研究是非常重要的。

一般認(rèn)為超聲鍵合參數(shù)（鍵合功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間）對(duì)鍵合性能有著重要的影響，但表面粗糙度對(duì)鍵合的影響僅有少量的研究，文獻(xiàn)[7, 8]提到表面粗糙度對(duì)鍵合強(qiáng)度有一定的影響，并沒(méi)有進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[9]研究了熱超聲鍵合中表面粗糙度對(duì)細(xì)銅絲（30μm）與銅基板鍵合性能的影響，作者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粗糙度越低其鍵合強(qiáng)度越高，可鍵合性更好。文獻(xiàn)[10]研究了表面粗糙度（0.06μm，1μm）對(duì)金線與銅底板超聲鍵合性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較高的粗糙度反而能提高鍵合性能。

綜上，以前對(duì)基板表面狀態(tài)對(duì)鍵合性能的影響的研究不夠深入具體，本文基于表面形貌的譜分析方法，結(jié)合大量的鍵合實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，深入分析了影響DBC基板與粗鋁絲可鍵合性的表面狀態(tài)因素，為DBC基板生產(chǎn)廠家提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。

2 基本原理和方法

2.1 超聲鍵合原理

超聲鍵合系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、壓電換能器、變幅桿以及鍵合工具組成[11]。鍵合的原理是工頻電信號(hào)由超聲發(fā)生器轉(zhuǎn)換成主頻約60kHz的電信號(hào)，為超聲換能器提供超聲源，電信號(hào)經(jīng)過(guò)換能器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，通過(guò)變幅桿傳遞到劈刀，劈刀在超聲功率及壓力的作用下，使鋁線在基板表面上來(lái)回摩擦，去除了表面的氧化膜，同時(shí)超聲能量被金屬絲吸收，使得金屬表面產(chǎn)生塑性形變，兩金屬面緊密接觸，最終依靠原子力的引力實(shí)現(xiàn)鍵合。

圖1 超聲鍵合系統(tǒng)原理圖[11]Fig.1 Ultrasonic wire bonding system

2.2 摩擦能量

如前所述，超聲鍵合的基本原理是通過(guò)摩擦產(chǎn)生的熱量使金屬間產(chǎn)生擴(kuò)散，進(jìn)而形成鍵合。摩擦、塑性流動(dòng)以及溫度是實(shí)現(xiàn)超聲焊接的三個(gè)互為依賴的主要因素，其中摩擦起主導(dǎo)作用，這不僅是焊接中的主熱源，而且通過(guò)排除氧化膜為純凈金屬表面間接觸創(chuàng)造了條件[12]。

因此摩擦能量或者局部摩擦能量密度是影響引線超聲鍵合成功的一個(gè)最關(guān)鍵因素[13]。摩擦能量的表達(dá)形式如式（1）。

式中，Ef為摩擦能量；f為超聲振動(dòng)頻率；b超聲振動(dòng)頻率；p(x, y)為接觸壓力；μ為摩擦因數(shù)。

當(dāng)保持鍵合功率、壓力、時(shí)間、引線線徑幾個(gè)參數(shù)一致時(shí)，f、b、p(x, y)是相同的，Ef的大小取決于鍵合引線與DBC基板的摩擦因數(shù)μ。

2.3 表面形貌的譜分析方法[14]

表面形貌由粗糙度、行位誤差與表面波紋度三部分組成。

（1）粗糙度：屬微觀誤差，為高頻信號(hào)。

（2）幾何輪廓行位誤差：屬宏觀誤差，為低頻信號(hào)。

（3）表面波紋度：是介于粗糙度與行位誤差之間的中頻信號(hào)。

三種因素對(duì)表面功能有著不同程度的影響，如何正確劃分它們很重要，三者可以通過(guò)表面輪廓的不同頻率范圍來(lái)劃分。

對(duì)一組一維表面輪廓數(shù)據(jù) y(n)，若兩相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔x(μm)，采樣點(diǎn)數(shù)Nm，進(jìn)行快速傅里葉變換處理，得到空間輪廓序列為 Z(n)（n=1, 2, 3, …, Nm）

將 μm等效為時(shí)間序列的 s，則采樣間隔Ts= x(s)，采樣頻率 Fs=1/x(Hz)，頻率分辨率為1/Nm(Hz)。因此空間頻率分辨率為fspace=x/Nm(μm)-1。其第n點(diǎn)的頻率為

此時(shí)，直流分量實(shí)際幅值為 A1/Nm，其他分量實(shí)際振幅值為 A1/(Nm/2)。其中 A1為 FFT計(jì)算得到的各頻率分量的譜峰高度值。

利用頻譜分析方法對(duì) DBC基板表面形貌進(jìn)行分析，得到影響表面形貌的主要空間頻率成分，進(jìn)而分析其對(duì)摩擦特性的影響。

3 鍵合強(qiáng)度測(cè)試方法

為研究 DBC基板表面特性對(duì)鍵合強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響，需要對(duì)鍵合強(qiáng)度進(jìn)行推拉力測(cè)試，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 拉力測(cè)試方法

拉力測(cè)試采用 Dage4000推拉力測(cè)試儀，其測(cè)試方法是，通過(guò)鉤針勾住鍵合引線弧頂部位，勻速拉動(dòng)，直到鍵合引線斷裂為止。

為保證拉力測(cè)試的準(zhǔn)確性，鍵合工藝參數(shù)、鍵合鋁線的跨度、高度、拉力測(cè)試速度及拉力位置、方向應(yīng)盡量保證一致。

鍵合引線斷裂模式主要分為三種情況：①鍵合點(diǎn)界面處斷開；②鍵合線根部斷開；③鍵合線中間斷開。測(cè)量中出現(xiàn)①、②情況時(shí)，說(shuō)明鍵合強(qiáng)度不夠。第三種情況則表明鍵合點(diǎn)良好。

第二、第三種斷裂模式下的拉力值反映的是鍵合引線的材料本身的拉伸強(qiáng)度，不能定量反映鍵合點(diǎn)本身的強(qiáng)度。但可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)鍵合拉力測(cè)試后鍵合線斷裂模式來(lái)定性的反映 DBC基板表面的鍵合強(qiáng)度及可鍵合性。

3.2 推力測(cè)試原理

在鍵合點(diǎn)高度 1/3～1/2區(qū)間，利用推刀對(duì)鍵合點(diǎn)施加推力，從推刀接觸到鍵合點(diǎn)開始，鍵合點(diǎn)即發(fā)生形變，所受到的推力近似線性地增大，當(dāng)形變達(dá)到最大值時(shí)，推力也達(dá)到最大（記錄此時(shí)的推力值），隨后鍵合點(diǎn)被推動(dòng)，推力迅速?gòu)淖畲笾禍p小到零。推力測(cè)試采用目前市場(chǎng)上成熟的推力測(cè)試儀器完成。對(duì)于500μm粗鋁絲，其鍵合點(diǎn)高度約400μm左右，剪切高度在 1/3處，約為135μm即可。

圖2 推力測(cè)試原理[7]Fig.2 Principle of push test

4 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

粗鋁絲鍵合機(jī)，拉力測(cè)試儀，臺(tái)階儀，掃描電子顯微鏡；500μm 粗鋁絲（99.99%）；三種不同表面形貌的陶瓷覆銅基板若干，樣品基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 陶瓷覆銅基板樣品基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the DBC plates

為防止基板表面氧化，DBC基板樣品采用真空包裝，并放置在氮?dú)夤裰斜４妗?/p>

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）利用臺(tái)階儀測(cè)試三種DBC基板的粗糙度。

（2）利用掃描電子顯微鏡觀察三種DBC基板的表面形貌。

（3）對(duì)三種不同粗糙度的DBC樣品進(jìn)行可鍵合性實(shí)驗(yàn)，每種樣品鍵合鋁線100次，統(tǒng)計(jì)成功次數(shù)；然后對(duì)鍵合成功的鍵合點(diǎn)，利用推拉力測(cè)試儀分別測(cè)試推拉力強(qiáng)度，并進(jìn)行鍵合強(qiáng)度的穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)分析。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 三種樣品表面輪廓及形貌測(cè)量結(jié)果

利用臺(tái)階儀，以任一2mm測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度，測(cè)得三種樣品的表面輪廓結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 表面形貌測(cè)量結(jié)果Tab.2 Surface morphology of the three DBC plate samples

圖3 樣品表面輪廓曲線Fig.3 Surface profile curve of the three samples

圖4 樣品表面顯微鏡和SEM 掃描結(jié)果Fig.4 Surface morphology of the three samples measured by SEM and level meter

圖 3、圖 4為樣品表面輪廓曲線及表面形貌的掃描結(jié)果。可以看出，樣品 1和樣品2表面有著較為規(guī)則的粗糙峰，呈均勻的顆粒狀凸起，約在20～100μm范圍內(nèi)，紋理較均勻，無(wú)明顯的方向性；而樣品3表面紋理則呈現(xiàn)不規(guī)則板結(jié)狀，大小基本在100μm以上，且有明顯的方向性劃痕跡象。

5.2 鍵合成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)三種樣品在同一鍵合工藝參數(shù)（65%，900g，1.0s）下進(jìn)行鋁線鍵合 100次，統(tǒng)計(jì)成功率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三種樣品的鍵合成功率Tab.3 Wire bonding success rate on the three DBC plate samples

從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）樣品1引線鍵合成功率較高，表明其可鍵合區(qū)域大。

（2）樣品 2的可鍵合區(qū)域也較大。

（3）樣品 3鍵合成功率最差，其可鍵合區(qū)域也小。

5.3 鍵合引線斷裂模式統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果

在鍵合線鍵合成功的前提下，對(duì)三種DBC樣品在同樣的鍵合參數(shù)下進(jìn)行了鍵合實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行粗糙度、拉力、推力測(cè)試，得到結(jié)果見(jiàn)表4和圖5所示。

表4 引線斷裂模式統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of wire break mode

圖5 拉力測(cè)試中鍵合引線斷裂模式統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistics of wire break mode in pull test

通過(guò)圖5可見(jiàn)，樣品1和樣品2的鍵合合格率較高，而樣品 3鍵合合格率較低。

5.4 推力強(qiáng)度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

推力測(cè)試采用 Dage4000推力測(cè)試儀，對(duì)三種樣品鍵合成功的鍵合點(diǎn)進(jìn)行推力測(cè)試，每組測(cè)量 10次，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 鍵合點(diǎn)推力測(cè)試結(jié)果Tab.5 Push test result of wire bonding（單位：N）

通過(guò)推力測(cè)試結(jié)果可以看到，就推力數(shù)據(jù)的離散性而言，樣品 2波動(dòng)最小，樣品3其次，樣品1最大，與其表面粗糙度呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的關(guān)系。即表面粗糙度越小，其鍵合強(qiáng)度的離散性越小。

6 分析與討論

6.1 表面特性對(duì)超聲可鍵合性影響的頻譜分析

對(duì)臺(tái)階儀測(cè)得的表面輪廓數(shù)據(jù) y(n)，其總采樣長(zhǎng)度2mm，兩相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔1μm，采樣點(diǎn)數(shù)Nm= 2 000，得到空間輪廓序列為y(n)（n=1, …, 2 000）

在Matlab中對(duì)y(n)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到其空間頻率與幅值的關(guān)系如圖 6所示。

從三種樣品的頻譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，表面形貌以低頻段為主，不同的是樣品 1和樣品 2在中頻段（0.01～0.02μm-1）都有較高的頻率分量，而樣品 3在中頻段的頻率分量基本為零。

對(duì)每種樣品采樣4次，并對(duì)影響表面形貌最大的前10個(gè)頻率點(diǎn)（按頻率幅值占其對(duì)應(yīng)最大值的百分比從高到低排序）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，幅值低于最高幅值10%以下的頻率點(diǎn)，其對(duì)表面形貌的影響可以忽略不計(jì)。得到對(duì)三種樣品表面形貌影響較大的頻率段見(jiàn)表6。

圖6 三種樣品表面輪廓頻譜圖Fig.6 Surface profile spectrum of the three samples

表6 影響樣品表面形貌的主要空間頻率段Tab.6 Major spatial frequence of the sample surface

從表6可以看到，樣品3的空間頻率范圍很窄，最高只能達(dá)到 0.006 5μm-1，樣品 1能達(dá)到 0.016 5 μm-1，樣品2能達(dá)到 0.019 5μm-1。換算到空間波長(zhǎng)上，樣品3為153μm，樣品1為61μm，樣品2為51μm，與SEM得到結(jié)果是基本一致的。

結(jié)合表面形貌評(píng)定參數(shù)測(cè)量的結(jié)果，三種樣品微觀不平度的平均間距 Sm分別為 112μm、78μm、232μm。

以上測(cè)量分析均表明，樣品1和樣品2的粗糙峰較細(xì)密，樣品3粗糙峰稀疏。

因?yàn)殒I合點(diǎn)尺寸大小約為長(zhǎng)1 000μm寬300μm。又鍵合是在摩擦生熱的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，當(dāng)表面輪廓微觀不平度的平均間距Sm較?。ㄈ鐦悠?、2）時(shí)，DBC基板表面和鍵合線接觸粗糙峰較多，有利于增大摩擦力，產(chǎn)生熱量，進(jìn)而產(chǎn)生超聲鍵合。而 Sm太大（如樣品 3），在鍵合范圍內(nèi)鍵合鋁線與 DBC基板表面的接觸粗糙峰較少，不利于摩擦生熱，其可鍵合性下降。

6.2 表面粗糙度對(duì)鍵合強(qiáng)度穩(wěn)定性影響分析

在三種樣品鋁線鍵合成功的前提下，測(cè)得鍵合點(diǎn)推拉力強(qiáng)度，對(duì)鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分析得到結(jié)果見(jiàn)表 7。

表7 表面粗糙度Ra與鍵合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系Tab.7 The relationship between surface roughnessRaand bonding strength stability

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，表面粗糙度與鍵合強(qiáng)度的穩(wěn)定性兩者之間呈現(xiàn)一種單調(diào)關(guān)系，DBC基板表面粗糙度越小，其鍵合強(qiáng)度的離散性越小，反之，鍵合強(qiáng)度的離散性較大。因?yàn)楸砻娲植诙仍酱?，其表面越不平整，使傳遞的超聲波能量發(fā)生散射，使得鍵合鋁線接收能量相對(duì)不穩(wěn)定，故而最終的鍵合強(qiáng)度離散性較高。

7 結(jié)論

DBC基板表面形貌對(duì)與粗鋁絲超聲鍵合的可鍵合性有著重要的影響，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，表面輪廓的微觀不平度的平均間距 Sm對(duì)超聲可鍵合性有一定影響。

（1）微觀不平度的平均間距 Sm較小，表面紋理越細(xì)密，在鍵合范圍內(nèi)，鍵合線與DBC基板表面的接觸峰較多，能夠產(chǎn)生較大的摩擦力，產(chǎn)生較多的摩擦熱量，從而更有利于鍵合。

（2）微觀不平度的平均間距Sm太大，其表面紋理稀疏，在鍵合范圍內(nèi)與DBC基板表面的接觸峰很少，故而摩擦力小，產(chǎn)生的摩擦能量小，其可鍵合性也就差。

（3）基板表面粗糙度影響鍵合強(qiáng)度的穩(wěn)定性，表面粗糙度越小，其鍵合點(diǎn)強(qiáng)度波動(dòng)越小。反之則鍵合點(diǎn)強(qiáng)度波動(dòng)越大。

因此，在生產(chǎn)適于超聲鍵合的DBC基板時(shí)，應(yīng)盡量保證表面形貌具有均勻小粗糙峰，從而為大功率電力電子封裝模塊產(chǎn)品提供了保證。

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Effect of Surface Morphology of Direct Bonding Copper Plate on Ultrasonic Wire Bondability

Fang Huachao1,2,3 Zheng Libing1,3 Wang ChunLei1,2,3 Han Li1,3 Fang Guangrong1,3

（1. Institute of Electric Engineering China Acdemay of Sciences Beijing 100190 China 2. University of China Acdemay of Sciences Beijing 100180 China 3. Beijing Key Laboratory of Bioelectromagnetism Beijing 100190 China）

DBC(direct bonding copper) plate, as an important part to fulfill electrical connection by using ultrasonic bonding technique in classical power module, has a wide application in high power electronic device module. As a result, the bondability of DBC plate has a vital influence on products’rate and reliability.Previous studies focused on how the bonding parameters(power bonding, pressure bonding, bonding time) affect the performance of the bonding. However, few researches of surface morphology on the wire bondability were reported. This paper presents a study of the surface morphology of DBC plate on the ultrasonic wire bondability. The results of experiments show that the average distance between the microscopic irregularities(Sm) of the surface morphology of DBC plate has a very important influence on bondability. On one hand, better bondability will be abtained if the parameter Smof the DBC plate surface is smaller. Otherwise, the bondability of DBC plate will be much worse. On the other hand, the bonding strength discreteness is decided by the surface roughness based on thesuccessful bonded, the smaller of the surface roughness is, the less discrete of the bonding strength is. Lastly, these results are analysed by using spatial spectrum method and tribology theory.

Direct bonding copper plate, surface morphology, ultrasonic bonding, bonding strength, bondability

TN05

方化潮 男，1986年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷庋b及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

國(guó)家重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX02603）。

2013-06-28 改稿日期2013-08-03

鄭利兵 男，1972年生，本文通訊作者，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷庋b技術(shù)。