功率模块铜线键合强度测试方法解析及工艺优化建议
在电力电子技术迅猛发展的今天，功率模块作为电力电子装置中的关键组成部分，其性能的优劣直接影响到整个系统的稳定性和效率。铜线键合工艺，作为连接功率模块内部硅基芯片或SiC芯片与陶瓷衬板，以及陶瓷衬板与功率端子的重要技术，对于确保模块的电气互连性能至关重要。随着功率模块电流密度的不断提升，传统的粗铝线已无法满足日益增长的通流能力和耐温要求，而铜线因其卓越的力学和热学性能，逐渐成为功率模块引线键合的新选择。
尽管已有研究通过试验与仿真方法对功率模块引线键合质量与性能进行了研究，但这些研究往往基于传统的极差分析或响应面法（RSM）等方法，随着试验水平数量与次数的增加，这些方法得到的优化工艺值准确性偏低，难以满足实际生产的需求。此外，随着深度学习技术在各学科领域的广泛应用，基于数据的方法开始出现在功率模块引线键合研究中，尤其是在失效分析与模块寿命预测方面，但在铜线键合性能研究中的应用仍不常见。
本研究旨在通过优化铜线键合工艺参数，提升功率模块的铜线键合性能。文章以6因素5水平的正交试验为基础，采用BP（Back Propagation）神经网络预测和遗传算法反向求解，提出了一种“BP-遗传算法”用于优化铜线键合点的最优工艺参数。通过与传统优化方法的对比，验证了“BP-遗传算法”在提升键合工艺稳定性方面的显著优势。
一、检测原理
功率模块铜线键合工艺参数优化分析的测试原理基于正交试验和极差分析来确定影响键合质量的关键工艺参数，利用BP神经网络构建性能预测模型，并结合遗传算法优化这些参数，最终通过剪切力测试和功率循环试验来验证优化效果，确保铜线键合的高性能和高可靠性。
二、正交试验
1、试验材料及设备
在本次试验中，键合铜线分别采用 A 品牌与 B 品牌，技术规格如表1所示。衬板采用AMB（Active Met‐al Bonding） 衬板，外形尺寸 （长×宽×厚） 为 28 mm×26 mm×0.92 mm [0.3(Cu)/0.32(ceramic)/0.3(Cu)]；铜箔采用DTS （Die Top System） 铜箔，尺寸为4.2 mm×2.8
mm×0.1 mm。试验选用全自动引线键合机进行铜线键合，搭配推拉力测试仪对铜线键合强度进行测试。
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。
3、试验过程
步骤1、准备工作
在功率芯片表面烧结一层DTS铜箔，以避免劈刀与芯片的直接接触，保护芯片免受损伤。
步骤2、键合点标记
根据键合位置的不同，将键合点标记为键合点1和键合点2。
步骤3、工艺参数设定
相比于铝线键合，铜线键合的工艺参数设置整体偏大。根据DTS工艺中铜线键合参数的经验值，为键合点1和键合点2设定工艺参数。
步骤4、正交试验设计
设计一个包含6个因素、5个水平的正交试验方案，共25组试验。
步骤5、重复试验
为了减小偶然因素与试验方法带来的误差影响，每组工艺参数组合进行10次重复试验，共计得到250组试验结果。
步骤6、数据收集
对每组样品进行10次重复试验，并记录每次试验的键合点剪切力。
步骤7、数据汇总
将25组样品的键合点剪切力之和作为功率模块铜线键合正交试验的结果。
步骤8、设备校准
确保使用的Alpha-W260推拉力测试机经过校准，剪切力测试的高度设定为10 μm，推球速度为100 μm/s。
步骤9、剪切力测试
分别对DBC上的第一、二键合点进行剪切力测试，记录剪切力数据。
步骤10 、结果分析
对收集到的250组试验结果进行统计和分析，使用极差分析法确定各工艺参数对键合点剪切强度的影响。
步骤11、二次函数拟合
采用二次函数对试验结果进行拟合，得到第一键合点和第二键合点的剪切力拟合方程。
步骤12、优化工艺参数
根据正交试验结果和极差分析，优化铜线键合的工艺参数，以提高键合点的剪切力和整体键合质量。
三、结果分析（极差分析法）
通过极差分析法对正交试验结果进行评估，我们可以确定各因素对试验结果的影响程度。极差值（R）是衡量这一影响的指标，其值越大，表示相应因素对结果的影响越重要；相反，极差值越小，则意味着该因素对结果的影响较小。对于A品牌和B品牌的铜线键合点剪切力的分析显示，两个品牌的试验结果呈现出一致的趋势，即超声功率、键合压力和键合时间是影响键合点剪切强度的关键因素，而在这些因素中，超声功率对剪切强度的影响最为显著。
基于极差分析的结果，我们能够为两种品牌的铜线确定最佳的键合参数组合。具体来说，对于键合点1，最佳的工艺参数组合是A4B4C4；而对于键合点2，则为D3E4F3。这些最优参数组合的确定，为提高铜线键合的质量和效率提供了重要的参考依据。
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