21-06
2016

Ультразвуковая разварка медной проволокой в серийном производстве

I. Введение

В последние несколько лет для удовлетворения растущей потребности в производстве высокоэффективных и высоконадежных устройств, таких как возобновляемые источники энергии и транспортные средства с электрическим двигателем, активно разрабатываются новые технологии соединения силовых полупроводниковых приборов. Помимо современных техник монтажа кристаллов, например спекания, для создания соединения на верхней стороне подложек в силовой электронике активно обсуждается и применяется разварка медной проволокой. Изделия, произведенные с использованием медной проволоки уже доступны, и в ближайшем будущем планируется их массовое производство.

На сегодняшний день медная проволока широко востребована в качестве материала для разварки кристаллов, поскольку ее характеристики значительно превосходят стандартно используемую алюминиевую проволоку. Медные соединения обладают более высокой электро- и теплопроводностью, а также механической стабильностью по сравнению с алюминиевыми. Кроме того, кристаллы с металлизированными медью контактными площадками и последующей разваркой медной проволокой проявляют более низкое термомеханическое несоответствие (Si: 2.6 ppm/K, Al: 23 ppm/K, Cu: 17 ppm/K), что продлевает срок службы и обеспечивает надежность контактных соединений.

II. Разварка медной проволокой

A. Преимущества и недостатки

Современные тенденции в области силовой электроники связаны в основном с более высокими плотностью энергии и температурами перехода. Помимо усовершенствования метода формирования соединения на нижней стороне силового полупроводникового прибора необходимо также улучшить метод формирования соединения и на верхней стороне. Использование алюминия не целесообразно из-за его ограниченной электропроводности и температурной стабильности, поэтому медь становится единственной подходящей альтернативой.

Медная проволока по сравнению с алюминиевой имеет более низкий срок годности и более высокую стоимость. По этой причине медная проволока еще не заменила алюминиевую в крупномасштабном производстве. Кроме того, при разработке изделий и полупроводниковых продуктов необходимо учитывать возможность применения в них медной проволоки. Металлизация поверхности кристаллов или выводных рамок алюминием не допускает использования разварки медной проволокой.

В процессе разварки алюминиевой проволокой частота замены инструмента разварки составляет около 100 000 сварок. После очистки скопившихся во время работы остатков проволоки инструмент можно использовать еще несколько раз (в общей сложности до 1 миллиона сварок). При использовании медной проволоки в том же процессе срок службы инструмента составляет менее 30 000 сварок, остатки проволоки не скапливаются, однако изнашивается сам инструмент. В зависимости от инструмента срок службы может меняться. Короткий интервал замены инструмента увеличивает время вынужденного простоя оборудования, а также затраты на его обслуживание, что в свою очередь сказывается на конечной стоимости изделия. Именно поэтому использование медной проволоки в разварке кажется производителям невыгодным.

Учитывая вышесказанное, перед поставщиками инструмента и оборудования для разварки можно поставить две следующие цели. Во-первых, увеличить срок эксплуатации инструмента разварки медной проволокой путем изменения материала, конструкции и технологических параметров процесса разварки; во-вторых, внедрить неразрушающий метод мониторинга процесса для обеспечения желаемого качества соединений и определения фактического состояния износа инструмента разварки.

B. Механизм износа

Основным недостатком разварки толстой медной проволокой является низкий срок службы расходных материалов, особенно инструментов разварки и ножей для обрезки проволоки. Модуль упругости Юнга и предел прочности на растяжение у медной проволоки значительно выше, чем у алюминиевой, поэтому усилие разварки и ультразвуковая мощность примерно в 2-3 раза выше по сравнению со стандартной разваркой алюминиевой проволокой. В сочетании с плотностью и абразивными свойствами медной проволоки это значительно снижает срок службы соответствующих инструментов. При проведении исследований на долговечность, которые описаны далее, была выполнена только единичная разварка без формирования петли.

На рисунке 1 (a) изображен новый стандартный инструмент для разварки проволоки диаметром 500 мкм (вид снизу). Инструмент изготовлен из карбида вольфрама и взят за образец во всех последующих исследованиях. На рисунке 2 (а) изображено пятно контакта проволоки (вид сварного соединения сверху). На рисунке видны две площадки V-образной канавки инструмента разварки, который, как правило, имеет эллиптическую форму и гладкую матовую поверхность. Благодаря конструкции центра инструмента сильная текучесть материала не наблюдается. Ширина пятна контакта меньше, чем при разварке алюминиевой проволокой, и составляет приблизительно 120% от диаметра проволоки.

(а)	(б)	(в)

Рис.1. Вид снизу на рабочую зону нового инструмента для разварки (а) и тот же самый вид после выполнения 25 000 сварок (б, в) 

В процессе использования инструмента, взятого за образец, форма, поверхность наконечника инструмента и пятно контакта существенно меняются. Контактная поверхность инструмента изнашивается (рис.1 (б, в)). В отличие от разварки алюминиевой проволокой в данном случае остатки материала не скапливаются на инструменте, однако на поверхности разварки сказывается избыточный износ V-образной канавки инструмента. Результат использования инструмента с изношенным наконечником можно видеть на пятне разварки, изображенном на рис.2 (б).

(а)	(б)

Рис.2. Пятно разварки, полученное при использовании нового инструмента, взятого за образец (а), и полученное с помощью того же инструмента, выполнившего 25 000 стандартных операций сварки (б) 

Причинами износа являются истирание и пластическая деформация, кроме того, наблюдается разрушение поверхности материала и повторное отложение мелких частиц при окислении меди.

Описанные выше механизмы износа являются следствием высокого механического давления в зоне контакта проволоки и инструмента и зависят от характеристик меди. Кроме того, предполагается, что относительное движение между медной проволокой и инструментом также приводит к износу. По завершению процесса разварки нижняя сторона проволоки уже присоединена к контактной площадке, в то время как инструмент продолжает колебаться. Такое относительное движение между инструментом и квазификсированной контактной площадкой можно компенсировать за счет упругой деформации проволоки и относительного движения между инструментом и проволокой («микро-проскальзывание»). Более высокий показатель модуля упругости Юнга меди по сравнению с алюминием уменьшает эластическую деформацию, и микро-проскальзывание в данном случае становится решением. Блестящая и гладкая поверхность изношенного кончика инструмента разварки, изображенная на рис.1 (б), подтверждает данную гипотезу.

Как следует из рисунка 3, рассмотренные механизмы износа инструмента разварки напрямую никак не влияют на прочность разварки. Усилие сдвига сварного соединения, выполненного с помощью инструмента, выполнившего 25 000 сварок, не снижается.

III. Текущее состояние расходных материалов

Для исследования текущего состояния расходных материалов при разварке толстой медной проволокой были проведены испытания на долговечность и проанализированы различные аспекты качества разварки. При этом под «качеством разварки» понимают сочетание ее внешнего вида, технологических показателей и механической прочности.

A. Испытание на долговечность – экспериментальная модель

При проведении исследования на долговечность были выполнены единичные операции разварки без формирования петли (см. рис.2 и рис.6).

Для исследования долговечности была выбрана экспериментальная модель разварки медной проволокой диаметром 500 мкм со стандартными параметрами и компонентами. Для испытаний была выбрана проволока PowerCu фирмы Heraeus (Германия). Из-за необходимости проведения большого количества разварок были использованы обычные медные пластины с чистой и гладкой поверхностью. Эксперименты проводились на автоматической установке разварки толстой проволокой модели BJ939 компании Hesse Mechatronics (Германия) (рис.4) с использованием разварочной головки для медной проволоки с тыльным расположением ножа для обрезки проволоки (рис.5). Установка разварки модели BJ939 обеспечивает монтажное усилие до 4200 сН и имеет УЗ генератор мощностью до 120 Вт.

B. Исследование срока службы инструмента для разварки

В главе II рассказывалось, что при использовании инструмента для разварки, взятого за образец, и стандартных параметров, рабочая часть инструмента изнашивается довольно быстро. В ходе этого исследования был разработан набор оптимизированных параметров для кинетического анализа ультразвука и усилия монтажа. Таким образом, удалось существенно сократить время разварки от первоначальных ≥300 миллисекунд (стандартные параметры) до ≤200 миллисекунд. Несмотря на уменьшение времени разварки, ее внешний вид и механические свойства не изменились. На рис.6 изображено изменение качества разварки и степень износа с течением времени. Рис.7 соотносит эти параметры с усилием сдвига.

(а)	(б)	(в)

Были также проведены испытания инструмента для разварки с другими материалами наконечника (инструмент В), в частности из кермета (композиционного материала на основе керамики в металлической матрице), однако существенного увеличения срока эксплуатации выявлено не было. Наиболее выраженным было нарушение целостности поверхности материала, в то время как истирание и пластическая деформация оказались такими же, как и в случае применения стандартного инструмента из карбида вольфрама.

Для подавления или, по крайней мере, снижения относительного движения между инструментом для разварки и проволокой был предложен и исследован геометрически модифицированный наконечник инструмента. Результаты показали незначительное уменьшение износа и снижение вибраций в процессе разварки, однако значительного снижения микро-проскальзывания достигнуть не удалось. В сравнении со стандартным инструментом, использованным в качестве образца, наблюдалось увеличение срока службы на 30%.

C. Влияние износа инструмента на качество разварки

Влияние износа инструмента на качество разварки является одним из важнейших вопросов. На рис.2 и рис.6 можно увидеть, что геометрия и поверхность разварки меняются в связи с износом инструмента. Кроме того, когда износ достигает определенного уровня, инструмент начинает контактировать с подложкой микросхемы во время процесса разварки (см. рис.6 (в)), что препятствует дальнейшей деформации сварного соединения и снижает эффективность усилия разварки. Такая ситуация свидетельствует об окончании срока службы инструмента разварки. Частый контакт с контактной площадкой в равной степени снижает качество и усилие разварки. Данный эффект можно наблюдать на рис.7 и рис.9, особенно это очевидно после 90 000 сварок (рис.7) и 83 000 сварок (рис.9) соответственно. Независимо от количества сварок величина усилия на сдвиг сварного соединения снижается лишь на 10%. Поэтому возникает важный вопрос: «Как износ влияет на прочность и качество разварки?»

(а)	(б)

На рис.8 показаны пятно сварного соединения и поверхность после тестирования на сдвиг для нового инструмента (a) и для инструмента после 100 000 сварок (б) (инструмент из карбида вольфрама, геометрия данного инструмента схожа с инструментом, использованным в качестве образца, с оптимизированными параметрами). Рис.9 демонстрирует соответствующие значения сдвига. И хотя контактная поверхность в направлении инструмента на верхней стороне проволоки сокращается и имеет неправильную форму после 100 000 сварок, эффективная площадь контакта под проволокой остается практически такой же, как и при работе с новым инструментом. Очевидно, что усилия, действующего на проволоку, и ультразвукового контакта между инструментом и проволокой по-прежнему достаточно для формирования устойчивой связи при данном уровне износа.

Тем не менее, при дальнейшем увеличении износа этот процесс будет меняться, и качество и прочность разварки в некоторой степени будут снижаться. Следует отметить, что, в то время как основные механизмы износа на подложках Direct Bonded Copper (DBC – прямая медная металлизация) одинаковы, усилие при разварке на DBC может различаться. Кроме того, полная настройка процесса при возникновении контакта инструмента во время разварки имеет большое значение. Если пятно разварки изначально сильно деформировано (например, из-за высокого усилия или долгого времени разварки), контактирование инструмента происходит очень быстро даже при небольшом износе инструмента.

Влияние износа инструмента для разварки на ее качество зависит от конкретного процесса, используемого типа инструмента и особенно от понимания термина «качество». В той или иной степени износ может повлиять на внешний вид, отклонение от технологических параметров и механическую прочность разварки.

D. Срок службы ножа для обрезки проволоки и направляющей для нее

Помимо инструмента для разварки в число расходных материалов входят нож для обрезки проволоки и направляющая для нее. Качественной и эффективной разварка медной проволокой будет лишь при условии, если все расходные материалы имеют надлежащий срок эксплуатации.

В начале операции по разварке медной проволокой использовались стандартные ножи для обрезки, изготовленные из закаленной стали. Из-за высокой прочности медной проволоки они быстро изнашивались. Ножи из твердого сплава показали более продолжительный срок службы. Поскольку эти материалы сложно обрабатывать и формировать, из твердых сплавов были изготовлены только наконечники для ножа, в то время как его корпус был выполнен из стали. На рис.10 показаны режущие кромки данных ножей. На рис.10 (а) изображен новый нож с острым краем. После выполнения 1 миллиона операций обрезки режущая кромка в некоторой степени изнашивается (рис.10 (б)), но визуально все еще выглядит хорошо и показывает стабильные результаты при резке. На рис.10 (в) изображен тот же нож после 1,2 миллиона операций: здесь наблюдается большой износ, особенно в центре режущей кромки. Тем не менее, срок службы порядка 1 миллиона операций обрезки является достаточно неплохим.

(а)	(б)	(в)

При стандартной конструкции ножа для обрезки, режущая кромка скользит вдоль инструмента разварки (рис.11 (а)). Лучшего качества резки и срока службы ножа можно достичь при использовании вариант его позиционирования относительно инструмента для разварки, изображенной на рис.11 (б), когда режущая кромка не контактирует с инструментом. Таким образом, она защищена от повреждений, которые могут возникнуть в результате удара или трения об инструмент разварки.

(а)	(б)

Направляющая для проволоки – еще один важный расходный элемент, который нуждается в незначительной оптимизации срока службы. Как и в случае с инструментом для разварки при разварке медной проволокой к ней не прикрепляются остатки материала. Пластик, из которого выполнена направляющая для проволоки имеет достаточно низкое истирание, поскольку сила трения в направляющей проволоки при ее подаче и формировании петли поддерживается на низком уровне. Изначально срок службы сохранялся на отметке около полумиллиона операций сварки в зависимости от длины цикла, его траектории и регулировки относительно инструмента для разварки. Вертикальное и горизонтальное выравнивание, также как и выдержка правильного расстояния до инструмента для разварки, являются обязательными. Проволока должна плавно скользить через отверстие направляющей, которое расположено под V-образной канавкой. Кроме того, трение в верхней части системы подачи проволоки должно быть низким, чтобы уменьшить силу подачи проволоки и тем самым сократить истирание в той части, где проволока сгибается.

IV. Контроль износа инструмента

Для контроля износа инструмента для разварки и своевременной его замены необходимо собирать и обрабатывать соответствующие данные о процессах, происходящих в оборудовании.

A. Сбор и обработка технических данных

Современные установки для разварки проволокой способны отслеживать множество различных технологических сигналов в режиме реального времени, например, мощность ультразвука, вертикальную деформацию проволоки, резонансную частоту во время процесса разварки. Установка для разварки, используемая в данном исследовании, оснащена интегрированной системой контроля качества (PiQC – process integrated quality control), которая включает в себя мониторинг дополнительного механического ультразвукового сигнала вибрации, а также сигнала о трении.

Износ инструмента для разварки по-разному влияет на различные сигналы оборудования. Выяснилось, что вертикальная деформация проволоки особенно чувствительна к износу инструмента разварки. В главе II.B сказано, что геометрия контактной площадки инструмента для разварки изменяется под действием текущего износа, что влияет и на сигнал о деформации проволоки.

Рис.12 показывает изменение индекса качества в зависимости от деформации проволоки (на основе данных PiQC-системы, полученных в течение некоторого промежутка времени). Процесс разварки является детерминированным и стабильным. Но, как и любая реальная система и соответственно все технологические сигналы, износ подвержен естественным колебаниям. Система PiQC учитывает это и возвращает индекс качества к 1 до тех пор, пока колебание не выходит за рамки определенного предела. Если средние показания подвержены стабильным изменениям, вызванным, например, износом, то для получения достоверных данных об износе эти естественные колебания необходимо сглаживать или отфильтровывать.

Такой сигнал должен характеризовать среднее отклонение от исходного состояния. Износ, как правило, возникает после большого количества сварок, поэтому разрешается выполнять дискретизацию данных, используя только каждый n-й индекс качества для расчета. Фильтрация должна происходить на уровне нижних частот. Поскольку данные являются дискретными и равноотстоящими, можно выбрать простой фильтр со скользящим средним значением. Такая полоса пропускания фильтра может включать в себя сотни операций разварки. Кроме того, можно сочетать оба метода – снижение коэффициента дискретизации и фильтрацию. На рис.12 показаны соответственно обработанные индексы качества.

Из-за колебаний исходные данные могут быть недостоверными. На рис.12 показаны два метода фильтрации с сокращением количества образцов до 20 и скользящим средним значением в пределах 20 и 200 соответственно. Последняя комбинация оказалась хорошим сигналом контроля износа.

B. Соответствие износа и технологических данных оборудования

Данный подход был проверен на различных инструментах для разварки с различными параметрами настроек. На рис.13 показан график расчета сигнала контроля износа для двух инструментов с наконечниками одинаковой геометрии – из карбида вольфрама (Инструмент A) и кермета (Инструмент B). Инструмент А тестировали со стандартными и оптимизированными параметрами. Полученные данные соответствуют испытаниям, описанным в главе II.B и III.B. Инструмент А со стандартными параметрами показал быстрое уменьшение сигнала износа. После выполнения менее чем 25 000 сварок инструмент сильно износился (рис.1 и рис.2). Идентичный инструмент с оптимизированными параметрами проделал в 4 раза больше сварок, что видно на рис.6. Как описано в главе III.B при использовании инструмента B с наконечником из кермета при использовании классических методов (оптический контроль, усилие сдвига) существенных улучшений обнаружено не было, что также соотносится с результатами, показанными на графике (рис.13).

Для других типов инструментов, формирующих различные пятна сварного соединения, результаты и чувствительность били различны. Сигнал контроля износа инструмента для разварки действует только при определенных настройках. Также на сигнал может повлиять механическая регулировка ножа для обрезки и направляющей для проволоки. Изменение положения проволоки под V-образной канавкой, вызванное неправильным срезом или смещением направляющей, может в свою очередь привести к изменениям в процессе разварки, особенно в сигнале о деформации проволоки.

Вместо индекса качества деформации проволоки можно использовать общий индекс качества. Чувствительность будет отличаться: она, как правило, ниже, потому что на другие сигналы износ влияет в незначительной степени. Однако многоразовое использование физических сигналов повысит базовый уровень для оценки состояния износа.

C. Оптимальный интервал замены инструмента с помощью мониторинга износа

Если установка разварки подает сигнал износа, который постоянно попадает в определенный пользователем предел, наблюдается критический износ инструмента для разварки, соответственно его необходимо заменить.

Однако стоит также принять во внимание и другие воздействия, которые могут повлиять на процесс разварки – изменения в установке разварки, в проволоке или влияние окружающей среды.

V. Заключение

Испытание на долговечность инструментов для разварки показали, что при использовании толстой медной проволоки износ контактной поверхности проволоки/инструмента зачастую происходит очень быстро. Тем не менее, результат теста на сдвиг показал, что начальный износ не приводит к значительной потере прочности разварки. Однако, когда истирание материала под V-образной канавкой во время процесса разварки достигает критического значения, возникает контакт инструмента с контактной площадкой. На этом уровне износа исследования остаточной области разварки после тестирования на сдвиг не показали существенного снижения ее качества. С увеличением интенсивности износа и частоты контакта инструмента с контактной площадкой во время разварки наблюдается значительное нарушение процесса, и качество разварки ухудшается.

При использовании инструмента с наконечником из кермета вместо карбида вольфрама наблюдалось незначительное увеличение срока службы инструмента. Большего снижения износа (в 4 раза) можно достичь за счет оптимизации параметров разварки.

Замена материала ножа для обрезки проволоки с закаленной стали на твердый сплав и улучшения геометрии режущей кромки продлевает срок его службы до 1 млн. операций обрезки. Интервал замены направляющей для проволоки остается в районе полумиллиона операций.

Контролировать износ инструмента для разварки можно с помощью технологических сигналов, подаваемых установкой разварки. С помощью этих сигналов выполняется также мониторинг износа. В рамках проведенных исследований этот сигнал хорошо соотносился с видимым износом, главным образом с истиранием наконечника инструмента разварки.

Такой подход к контролю износа инструмента разварки в будущем может быть реализован в установках разварки проволокой, что будет способствовать повышению общей стабильности качества разварки, а поддержание оптимального интервала замены инструмента позволит снизить производственные затраты.