在電力電子技術迅猛發展的今天，功率模塊作為電力電子裝置中的關鍵組成部分，其性能的優劣直接影響到整個系統的穩定性和效率。銅線鍵合工藝，作為連接功率模塊內部硅基芯片或SiC芯片與陶瓷襯板，以及陶瓷襯板與功率端子的重要技術，對于確保模塊的電氣互連性能至關重要。隨著功率模塊電流密度的不斷提升，傳統的粗鋁線已無法滿足日益增長的通流能力和耐溫要求，而銅線因其卓越的力學和熱學性能，逐漸成為功率模塊引線鍵合的新選擇。

盡管已有研究通過試驗與仿真方法對功率模塊引線鍵合質量與性能進行了研究，但這些研究往往基于傳統的極差分析或響應面法（RSM）等方法，隨著試驗水平數量與次數的增加，這些方法得到的優化工藝值準確性偏低，難以滿足實際生產的需求。此外，隨著深度學習技術在各學科領域的廣泛應用，基于數據的方法開始出現在功率模塊引線鍵合研究中，尤其是在失效分析與模塊壽命預測方面，但在銅線鍵合性能研究中的應用仍不常見。

本研究旨在通過優化銅線鍵合工藝參數，提升功率模塊的銅線鍵合性能。文章以6因素5水平的正交試驗為基礎，采用BP（Back Propagation）神經網絡預測和遺傳算法反向求解，提出了一種“BP-遺傳算法”用于優化銅線鍵合點的最優工藝參數。通過與傳統優化方法的對比，驗證了“BP-遺傳算法”在提升鍵合工藝穩定性方面的顯著優勢。

 

一、檢測原理

功率模塊銅線鍵合工藝參數優化分析的測試原理基于正交試驗和極差分析來確定影響鍵合質量的關鍵工藝參數，利用BP神經網絡構建性能預測模型，并結合遺傳算法優化這些參數，最終通過剪切力測試和功率循環試驗來驗證優化效果，確保銅線鍵合的高性能和高可靠性。

二、正交試驗

1、試驗材料及設備

在本次試驗中，鍵合銅線分別采用 A 品牌與 B 品牌，技術規格如表1所示。襯板采用AMB（Active Met‐al Bonding） 襯板，外形尺寸 （長×寬×厚） 為 28 mm×26 mm×0.92 mm [0.3(Cu)/0.32(ceramic)/0.3(Cu)]；銅箔采用DTS （Die Top System） 銅箔，尺寸為4.2 mm×2.8

mm×0.1 mm。試驗選用全自動引線鍵合機進行銅線鍵合，搭配推拉力測試儀對銅線鍵合強度進行測試。

2、常用檢測設備

1) Alpha-W260推拉力測試機 

a、多功能焊接強測試儀是用于為微電子引線鍵合后引線焊接強度測試、焊點與基板表面粘接力測試及其失效分析領域的專用動態測試儀器，常見的測試有晶片推力、金球推力、金線拉力等，采用高速力值采集系統。

b、根據測試需要更換相對應的測試模組,系統自動識別模組量程。可以靈活得應用到不同產品的測試，每個工位獨立設置安全高度位及安全限速，防止誤操作對測試針頭造成損壞。且具有測試動作迅速、準確、適用面廣的特點。

c、適用于半導體IC封裝測試、LED 封裝測試、光電子器件封裝測試、PCBA電子組裝測試、汽車電子、航空航天、軍工等等。亦可用于各種電子分析及研究單位失效分析領域以及各類院校教學和研究。

3、試驗過程

步驟1、準備工作

在功率芯片表面燒結一層DTS銅箔，以避免劈刀與芯片的直接接觸，保護芯片免受損傷。

步驟2、鍵合點標記

根據鍵合位置的不同，將鍵合點標記為鍵合點1和鍵合點2。 

步驟3、工藝參數設定

相比于鋁線鍵合，銅線鍵合的工藝參數設置整體偏大。根據DTS工藝中銅線鍵合參數的經驗值，為鍵合點1和鍵合點2設定工藝參數。

步驟4、正交試驗設計

設計一個包含6個因素、5個水平的正交試驗方案，共25組試驗。

步驟5、重復試驗

為了減小偶然因素與試驗方法帶來的誤差影響，每組工藝參數組合進行10次重復試驗，共計得到250組試驗結果。

步驟6、數據收集

對每組樣品進行10次重復試驗，并記錄每次試驗的鍵合點剪切力。

步驟7、數據匯總

將25組樣品的鍵合點剪切力之和作為功率模塊銅線鍵合正交試驗的結果。

步驟8、設備校準

確保使用的Alpha-W260推拉力測試機經過校準，剪切力測試的高度設定為10 μm，推球速度為100 μm/s。

步驟9、剪切力測試

分別對DBC上的第一、二鍵合點進行剪切力測試，記錄剪切力數據。

步驟10 、結果分析

對收集到的250組試驗結果進行統計和分析，使用極差分析法確定各工藝參數對鍵合點剪切強度的影響。

步驟11、二次函數擬合

采用二次函數對試驗結果進行擬合，得到第一鍵合點和第二鍵合點的剪切力擬合方程。

步驟12、優化工藝參數

根據正交試驗結果和極差分析，優化銅線鍵合的工藝參數，以提高鍵合點的剪切力和整體鍵合質量。

三、結果分析（極差分析法）

通過極差分析法對正交試驗結果進行評估，我們可以確定各因素對試驗結果的影響程度。極差值（R）是衡量這一影響的指標，其值越大，表示相應因素對結果的影響越重要；相反，極差值越小，則意味著該因素對結果的影響較小。對于A品牌和B品牌的銅線鍵合點剪切力的分析顯示，兩個品牌的試驗結果呈現出一致的趨勢，即超聲功率、鍵合壓力和鍵合時間是影響鍵合點剪切強度的關鍵因素，而在這些因素中，超聲功率對剪切強度的影響最為顯著。

基于極差分析的結果，我們能夠為兩種品牌的銅線確定最佳的鍵合參數組合。具體來說，對于鍵合點1，最佳的工藝參數組合是A4B4C4；而對于鍵合點2，則為D3E4F3。這些最優參數組合的確定，為提高銅線鍵合的質量和效率提供了重要的參考依據。

 

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