Армированные проволоки нового типа для микросварки компонентов силовой электроники

Йохан Далин
Рольф Райтер
Фолькер Веслинг
Андреас Кнаубер
Юрген Вильде
Андрей Новиков

В рамках данного исследования были созданы и опробованы армированные проволоки нового типа для микросварки компонентов силовой электроники на основе алюминия и меди. Пластичность алюминия гарантирует хорошую свариваемость при небольшой нагрузке микрочипа или подложки. Волокна меди, в свою очередь, увеличивают прочность и электропроводность, а также уменьшают коэффициент температурного расширения проволоки. Данные улучшения были подтверждены путем исследования свойств материала.

Также были успешно проведены эксперименты по микросварке проволок толщиной 0,3 мм на различных компонентах автомобильной электроники. В ходе экспериментов была зафиксирована хорошая воспроизводимость образования формы петли и клинообразного контакта при микросварке проволокой с волокнами. Проведение типичных для автомобильной электроники ускоренных тестов на старение показало, что проволоки с волокнами по сравнению с обычными проволоками из алюминия обладают большей стойкостью при влиянии окружающей среды и термомеханических напряжений в микросварных соединениях. Проволоки нового типа должны быть в дальнейшем оптимизированы для процесса микросварки кремниевых микрочипов.

Введение

Применение компонентов силовой электроники в системах мехатроники, а также возрастающий уровень интеграции ведут к повышенным требованиям к механической и температурной прочности. Полупроводники, применяемые в компонентах силовой электроники, должны выдерживать высокую температурную нагрузку до 150 °C, большую вибрационную нагрузку и высокую влажность. Для контактирования электронных компонентов используются, как правило, проволоки из высокочистого алюминия с диаметром от 150 до 500 мкм. Данный метод не требует больших затрат, однако срок службы таких систем ограничен в связи с термомеханическим рассогласованием между материалами проволоки и контактируемых компонентов. При этом возникает изгибное напряжение в проволоке, а также нагрузка на срез на контактной площадке, в проволоке и подложке [1–4]. За счет напряжений давления и растяжения инициируются трещины, которые обычно находятся в проволоке вблизи микросварного соединения [5]. Эти трещины могут распространиться дальше в материале вследствие термомеханического рассогласования между материалом проволоки и полупроводниковым материалом (рис. 1).

Существует потребность промышленных предприятий в микросварных проволоках с улучшенными качествами с высоким сопротивлением термомеханической усталости для контактирования компонентов силовой электроники. Возможным решением для изготовления микропроволок с повышенной прочностью является технология изготовления армированных проволок из металлических композиционных материалов. Композиты из алюминия и меди обладают более высокой прочностью по сравнению с обычными алюминиевыми микропроволоками.

В данном исследовании были реализованы армированные микропроволоки из алюминия и меди методом горячего изостатического прессования или методом прямого горячего прессования заготовок из расположенных в определенном порядке прутков алюминия и меди. На следующем этапе из композитных материалов были изготовлены микропроволоки промышленным методом вытягивания. Для изготовления микропроволок для контактирования компонентов силовой электроники необходима матрица из мягкого алюминия, чтобы избежать излишней механической нагрузки на микрочип в процессе сварки и исключить такие дефекты, как образование кратеров (cratering).

Волокна меди увеличивают прочность проволоки. За счет волокон меди также увеличивается электропроводность и уменьшается коэффициент температурного расширения. Оба эффекта были экспериментально подтверждены. Были изучены свойства материала микропроволоки, а также проведены испытания на свариваемость проволок с диаметром 0,3 мм на различных подложках. С помощью ускоренных тестов на старение была проверена термомеханическая прочность микросварных соединений. В проволоках нового типа было зафиксировано более высокое сопротивление при нагрузке микросварных соединений на срез по сравнению с обычными алюминиевыми проволоками. Также была достигнута хорошая повторяемость формы петли и клинообразных соединений. За счет более высокой прочности микросварных соединений, а также улучшенной электропроводности и уменьшения коэффициента температурного расширения композитного материала была улучшена термомеханическая прочность соединений. Это было доказано с помощью долгосрочной температурной нагрузки с температурой 150 °C, климатического теста 85 °C и 85% относительной влажности, а также циклической температурной нагрузки –40…+125 °C. Дополнительной модификацией проволок нового типа является добавление к волокнам меди волокон сплава FeNi36. Данный сплав обладает очень маленьким коэффициентом температурного расширения и тем самым может еще больше уменьшить разницу между коэффициентами температурного расширения подложки и проволоки.

Концепт

Концепт разработки армированных микропроволок с микроструктурой для применения в продуктах электроники был изучен для тонких проволок (диаметром до 100 мкм) с помощью моделирования систем [6]. При этом были исследованы композитные проволоки с серебром, в качестве основного материала. Для большинства применений силовой электроники используются проволоки диаметром от 150 до 500 мкм. При этом внешняя оболочка проволоки должна состоять из мягкого высокочистого алюминия — для того чтобы предотвратить излишние напряжения на поверхности микрочипа, которые могут вести к таким дефектам, как образование трещин, кратеров (cratering) и повреждение металлизации. Для сокращения опасности возникновения усталостных трещин в микросварных соединениях должен применяться металл с большей прочностью или с меньшим коэффициентом температурного расширения, чем алюминий. В данном исследовании были изготовлены армированные проволоки на основе алюминия и меди методами горячего прессования, радиального обжатия и вытягивания.

Изготовление проволок Al/Cu с волокнами для микросварки

Цель данной работы — изготовление проволок для микросварки компонентов силовой электроники, которые по сравнению с обычными проволоками для микросварки из алюминия могут выдерживать большую термомеханическую нагрузку. Заготовки для проволок были изготовлены в Институте сварки и технологий разъединения (Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren — ISAF) Технического университета г. Клаустхаль. Проволоки диаметром 300 мкм изготавливались фирмой W. C. Heraeus GmbH на промышленном волочильном станке.

Методом горячего прессования было достигнуто распределение волокон в матрице из алюминия. В ходе этого метода композитный материал нагревается и деформируется под высоким давлением. Данная технология позволяет изготавливать металлический композитный материал с различными свойствами, внешний слой которого мягкий, а внутренние слои имеют высокую прочность с различными значениями.

Были применены следующие исходные материалы:

• алюминий (Al с чистотой 99,99%);
• медь (Cu-ETP/2.0060);
• сплав AlMgSi0,5 (EN-AW 6060).

Толстостенная трубка из сплава AlMgSi0,5 используется в качестве обоймы пресс-формы и заполняется прутками из чистого алюминия и меди с диаметром 6 мм, после чего материал деформируется горячим прессованием. После этого изготовленный металлический композит методом радиального обжатия деформируется в стержень диаметром 4,5 мм и затем вытягивается проволока диаметром 300 мкм (рис. 2). Во время процесса деформации волокна меди могут перемещаться до поверхности проволоки. В связи с этим были проведены эксперименты, в которых волокна меди размещались в середине заготовки (рис. 3). Точное позиционирование волокон в проволоке особенно важно для достижения хорошей обрабатываемости и повторяемости результатов процесса микросварки по сравнению с процессом с применением обычной алюминиевой проволоки. После дальнейших модификаций использовалась алюминиевая форма (алюминий с чистотой 99,99%), в которой методом электроэрозии была создана структура с отверстиями, которые заполнялись медными прутками для изготовления проволок для микросварки компонентов силовой электроники.

На рис. 3 показана трубка из сплава AlMgSi0,5, заполненная прутками из алюминия, меди и сплава FeNi36 (слева), и стальная трубка, заполненная прутками из алюминия и меди (справа). Волокна из сплава FeNi36 в принципе могут лучше компенсировать разницу в коэффициентах температурного расширения кремниевого микрочипа и проволоки для микросварки. Стальная трубка используется в качестве обоймы пресс-формы для горячего изостатического прессования и удаляется перед дальнейшей обработкой. Желаемое улучшение соединения между волокнами и основным материалом сопровождается образованием интерметаллических фаз, которые негативно влияют на пластическую деформацию проволоки.

Свойства микросварных соединений из проволок Al/Cu с волокнами

Вначале стандартными методами были проведены исследования таких свойств материалов проволок, как коэффициент температурного расширения, удельная электропроводность и предел прочности при растяжении.

Волокна меди оказывают большое влияние на предел прочности при растяжении проволок. Предел прочности при растяжении композитных проволок Al/Cu имеет значения от 125 до 175 Н/мм² в диапазоне температур от –40 до 125 °C, в то время как предел прочности проволок из высокочистого алюминия (Al-H11) находится между 25 и 50 Н/мм² (рис. 4). Волокна меди также увеличивают электропроводность примерно на 10% и примерно на 10% уменьшают коэффициент температурного расширения по сравнению с алюминиевыми проволоками (таблица). Увеличение предела прочности при растяжении и другие описанные эффекты должны оказывать положительное влияние на термомеханическую прочность микросварного соединения.

Для оптимизации параметров микросварки проволок (рис. 5) была использована автоматическая установка для микросварки Orthodyne M360A D/A Института микросистемной техники университета г. Фрайбург. Хорошая повторяемость формы петли и клинообразного микросварного соединения была показана на примере компонента силовой электроники IGBT (рис. 5).

Было измерено усилие на срез, необходимое для отрыва микросварного соединения от контактной площадки для композитных проволок Al/Cu, которое на 30–50% превышает усилие на срез для обычных алюминиевых проволок. Последние являются стандартом для применения в модулях автомобильной и силовой электроники (рис. 6).

Для исследования микросварных соединений были использованы следующие компоненты и подложки:

• силовые ИС (IGBT) с металлизацией из алюминия;
• подложки из алюминия (толщиной 1 мм);
• подложки DCB с медной поверхностью (Curamik);
• печатные платы FR4 с финишным покрытием NiAu;
• медные подложки с гальваническим покрытием NiAu (IMS — Insulated Metal Substrates).

Надежность проволок нового типа была протестирована с помощью долгосрочного хранения при 150 °C, климатического теста при 85 °C, относительной влажности 85% и циклической температурной нагрузки –40…+125 °C. Была получена следующая оценка микросварных соединений, изготовленных с помощью композитной проволоки Al/Cu на различных подложках:

• подложки из алюминия имеют наибольшую стойкость при температурных процессах старения (рис. 7);

• медные подложки (IMS) обладают очень хорошей коррозионной стойкостью (рис. 8);

• печатные платы FR4 с финишным покрытием NiAu после 1000 пассивных температурных циклов от –40 до +125 °C не имеют явных повреждений. Прочность микросварных соединений при этом также сохраняется (рис. 9);

• подложки DCB с медной поверхностью обладают повышенной стойкостью при циклической температурной нагрузке по сравнению с микросварными соединениями с применением обычных алюминиевых проволок (рис. 10);

• после небольшого числа температурных циклов прочность микросварных соединений из проволок нового типа на кремниевых микрочипах заметно выше, чем у обычных алюминиевых проволок. После большого числа температурных циклов прочность микросварных соединений из проволок нового типа сравнима с обычными алюминиевыми проволоками. Дальнейшие исследования направлены на улучшение структуры материала и оптимизирование процессов микросварки.

Заключение

Были успешно разработаны армированные волокнами проволоки Al/Cu нового типа с диаметром 300 мкм для монтажа компонентов силовой электроники. Армированные волокнами проволоки были изготовлены методами горячего прессования, радиального обжатия и вытягивания проволоки в достаточно большом количестве. Данные проволоки обладают более высокой механической прочностью и более низким коэффициентом температурного расширения по сравнению со стандартными проволоками. Композитные проволоки Al/Cu, армированные волокнами, имеют большой потенциал для дальнейшего использования и к тому же обладают более высокой электропроводностью по сравнению с проволоками из чистого алюминия. Исследования надежности показали значительное повышение прочности микросварных соединений из композитной проволоки Al/Cu по сравнению с проволокой из чистого алюминия.

Для применения проволок с целью контактирования ИС силовой электроники запланированы дальнейшие исследования с целью разработки трубчатых проволок.

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen, 2006, № 12, Германия).

Литература

1. Hu J., Pecht M., Dasguta A. A probabilistic approach for predicting thermal fatigue life of wire bonding in microelectronics. Journal of Packaging, 113 (1991), pp. 275–285.
2. Bielen J., Gommans J., Theunis F. Prediction of high cycle fatigue in aluminium bond wires: A physics of failure approach combining experiments and multi-physics simulations. Eurosime IEEE (2006), pp. 55–61.
3. Wilde J. Lebensdauerprognose von Drahtbond-Verbindungen für die Mechatronik mittels FEM. GMM-Fachbericht, 37 (2002) ,pp. 117–122.
4. Wilde J., Zukowski E., Deier E. Simulation in der Aufbau- und Verbindungstechnik. GMMFachbericht, 44 (2004), pp. 109–116.
5. Onuki J., Koizumi M., Suwa M. Reliability of thick Al wire bonds in IGBT modules for traction motor drives. IEEE Trans. On Advanced Packaging 23(1) (Feb. 2000), pp. 108–112.
6. Wilde J. Mechanische und technologische Eigenschaften von Fein- und Feinstdrähten aus metallischen Faserverbundwerkstoffen mit Silbermatrix. Dissertation. TU Clausthal, 1989.