Оптимизация режимов ультразвуковой сварки проволоки и ленты из алюминия к кристаллам силовых полупроводниковых приборов

УДК 621.367:502.7

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ПРОВОЛОКИ И ЛЕНТЫ ИЗ АЛЮМИНИЯ К КРИСТАЛЛАМ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И.А. Каданцев, В.В. Зенин, Д.И. Бокарев

Исследована прочность сварных соединений алюминиевых выводов в виде проволоки и ленты с двухслойной алюминиевой металлизацией кристаллов силовых полупроводниковых приборов. Установлена зависимость прочности сварных соединений от режимов УЗС. Разработана математическая модель для оптимизации режимов УЗС внутренних выводов к кристаллам СПП

Ключевые слова: алюминий, металлизация, проволока, лента, оптимизация

Основной целью проведения современного эксперимента с позиций производителя продукции является разработка математической модели, адекватно описывающей процесс и позволяющий, в конечном результате, осуществлять его управление. Именно с помощью такой модели можно

эффективно управлять производством, оперативно изменяя его параметры в соответствии с запросами потребителя и обеспечивая выпуск высококачественной продукции.

При планировании эксперимента

исследователь должен:

1) обеспечить высокую надежность и

четкость интерпретации результатов

экспериментальных исследований;

2) составить четкую и последовательную логическую схему построения всего процесса исследования: что, когда и как нужно делать;

3) максимально формализовать процесс

разработки модели и сопоставления

экспериментальных данных различных опытов одного и того же объекта исследований с целью широкого применения электронно-вычислительных средств.

Всем перечисленным требованиям отвечают статистические методы планирования

эксперимента, являющиеся одним из эмпирических способов получения математического описания сложных процессов. При применении

статистических методов планирования

эксперимента математическое описание процесса обычно представляется в виде полинома (1) [1] к к к

г=ь+Т Ь,х, + 2 К,х,х, + Т Ь.х2 ,

1 =1 ч, ] =1 ] =1

ч * 1

где Г - функция отклика, а Хг, Х2, Хп -

входные параметры, действующие в исследуемом процессе. В этом случае задача выбора оптимальных режимов УЗС заключается в

Каданцев Игорь Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 89081484362

Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 89050511979

Бокарев Дмитрий Игоревич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 89507652026

следующем: найти математическую модель

процесса в виде некоторой функции: Г = / (Х1, Х2, Хп) и значения Хв обеспечивающие экстремум (максимум) функции.

Для удобства обработки результатов опытов проводилось преобразование значений управляемых переменных (учитываемых в эксперименте факторов Х) к безразмерным величинам

Хб = (Х, - Хо) / АХ, ,

где Х, - текущее значение 1-го фактора; Хо, -базовое или начальное значение 1-го фактора в центре плана; АХ, - значение интервала

варьирования по 1-му фактору.

Если в эксперименте варьируются 3 фактора, а предполагаемая математическая модель исследуемого процесса линейна, то она соответствует полиному вида

Г = Ь0 + Ь]Х] + Ь2х2 + Ь3х3 + Ь12Х]Х2 + Ь13х1х3

+ Ь2зХ2Хз + Ь]2зХ1Х2Хз,

где Г - значение функции отклика; х1, х2, х3 -значения исследуемых факторов; Ь0 - значение функции отклика в центре плана; Ь1, Ь2, Ь3 -коэффициенты, характеризующие степень влияния факторов на функцию отклика; Ь12, Ь13, Ь23, Ь123 -коэффициенты, характеризующие взаимовлияние факторов.

При варьировании каждым из трех факторов (к = 3) на двух уровнях число опытов N будет составлять N = 2к = 23 = 8.

Коэффициенты полинома вычислены по формуле

N

Т ХцУ4 Ь = ^------ >

' N

где Ь, - коэффициент полинома,

соответствующий 1-фактору; £ - номера опытов; х§ - значение безразмерного фактора в матрице планирования, соответствующего ^-строке и 1-столбцу; у - значение отклика в £-опыте.

Для проведения эксперимента по известной методике [1] составлена матрица планирования полного факторного эксперимента (ПФЭ) типа 23, представленная в табл. 1.

Матрица планирования ПФЭ типа 23

Таблица 1

Номер опыта Ю О Х Х1б б Х Х3б Х1бХ2б Х1бХ3б Х2бХ3б Х1 бХ2бХ3б У?

1 + - - - + + + — У1

2 + + - - - - + + У 2

3 + - + - - + - + У3

4 + + + - + - - - У 4

5 + - - + + - - + У-5

6 + + - + - + - - У6

7 + - + + - - + - У 7

8 + + + + + + + + У 8

УЗС алюминиевой проволоки к кристаллам СПП с алюминиевой металлизацией. Оценивалось влияние усилия сжатия инструмента (X;), времени сварки (Х2) и мощности ультразвуковых колебаний (Х3) на качество соединений алюминиевой проволоки с алюминиевой металлизацией кристаллов СПП. В качестве критерия качества рассматривалась прочность соединений.

Для исследования влияния режимов УЗС на качество соединений алюминиевой проволоки с алюминиевой металлизацией контактных площадок кристаллов СПП были изготовлены кристаллы без активных областей с толщиной алюминиевой металлизации 4,5 мкм. Толщина подслоя алюминия, легированного 1% N1 составляла 0,2 мкм. В качестве выводов применялась алюминиевая проволока марки АОЦПоМ (ТУ 6365051-46594157-2004) диаметром 400 мкм. Химический состав проволоки, %: ЯІ - 0,01; Си -

0.01; М§ - 0,01; Мп - 0,01; Бе - 0,01; ЯЬ < 0,02; ТІ -(0,003-0,08); 2п - (0,03-0,28); А1 - остальное.

Для напайки кристаллов (припой ВПр6) на основания корпусов КТ-43В в формир - газе использовалась установка ЭМ-4085-14М. Температура в зоне пайки поддерживалась в пределах 350±5 °С в течение 5 - 10 с.

Соединения разваривались на установке УСИММ-61, инструментом КУТ42-400-700. Для каждой комбинации факторов было проведено 16 параллельных опытов. Прочность соединений определялась натяжением вывода под углом 90° к плоскости образца до разрушения соединений с одновременным контролем характера разрушения. Внешний вид сварных соединений показан на рис.

1. Разрушение соединений, сформированных на оптимальных режимах УЗС, происходило, в основном, по проволоке. Отслоений привариваемой проволоки от алюминиевой металлизации не наблюдалось.

Проведенная оценка однородности дисперсий функции отклика в соответствии с критерием Кохрена позволяет сделать вывод о

воспроизводимости эксперимента, а отклонения значений функции отклика носят случайный характер и вызваны влиянием неконтролируемых и неуправляемых факторов.

Проверка значимости коэффициентов с помощью критерия Стьюдента показала, что коэффициенты Ь13, Ь23, Ъ123 признаны статистически незначимыми, поэтому соответствующие им члены полинома исключаются из уравнения математической модели процесса. Остальные коэффициенты имеют следующие значения: Ь1= -24,375; Ь2 = 0,625; Ь3= -23,125; Ь12= 6,875; Ь0= 596,88. Исключение членов полинома,

включающих коэффициенты Ь13, Ь23, Ь123 означает, видимо, что взаимодействие соответствующих им факторов не оказывает влияния на функцию отклика (прочность соединений). Наибольшее влияние оказывает первый фактор (усилия сжатия инструмента).

Влияние двух других факторов и взаимодействия первого и второго факторов примерно равнозначно. Таким образом,

математическая модель с учетом значимости коэффициентов полинома имеет вид

У= Ьо + Ь1Х1 + Ь2Х2 + ЬзХз + ЬПХХ2,

Теоретические среднее значения прочности соединений для каждого опыта у^,

предсказываемые математической моделью представлены в табл. 2.

Проведена проверка адекватности математической модели с результатами эксперимента. Режимы УЗС задавались в следующих пределах: усилие сжатия

инструмента Р от 590 до 650 сН, мощность колебаний W от 145-150 дел. лимба установки, время сварки от 40 до 60 мс.

Вычисленная дисперсия адекватности 82ад = 19,53 не превышает дисперсии опыта 82{у} = 33,42.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что полученная математическая модель адекватно представляет результаты эксперимента.

Рис. 1. Внешний вид сварных соединений: а) после сварки; б) после оценки прочности соединений методом отрыва проволоки под углом 90° к плоскости кристалла. Размер кристалла 7,33 х 7,31 мм2

Таблица 2

Зависимость прочности соединений алюминиевой проволоки с алюминиевой металлизацией кристаллов СПП от исследуемых факторов

Номер опыта Усилие сжатия инструмента Р, сН Мощность W, дел. лимба Время сварки т, мс Прочность соединений

экспериментальная У^ сН теоретическая УсН

1 590 150 40 650 650,63

2 650 150 40 580 588,13

3 590 145 40 640 638,13

4 650 145 40 610 603,13

5 590 150 60 605 604,38

6 650 150 60 550 541,88

7 590 145 60 590 591,88

8 650 145 60 550 556,88

Исследование функции на экстремум показало, что максимальное значение прочности соединений достигается при следующих значениях безразмерных факторов х1=-1; х2=-1; х3=-1. Следовательно, оптимальными параметрами процесса УЗС будут следующие значения: Р = 590 сН, W = 150 дел. лимба; топт=40 мс. Максимальная теоретическая прочность соединений,

предсказываемая математической моделью при этих значениях параметров, составляет 650,63 сН.

УЗС алюминиевой ленты к кристаллам СПП с алюминиевой металлизацией.

Оценивалось влияние усилия сжатия инструмента (Х1), времени сварки (Х2) и мощности ультразвуковых колебаний (Х3) на качество соединений алюминиевой ленты с алюминиевой металлизацией кристаллов СПП. В качестве критерия качества рассматривалась прочность соединений.

Для исследования влияния режимов УЗС на качество соединений алюминиевой металлизации

на контактных площадках кристаллов СПП с алюминиевой лентой были изготовлены кристаллы с толщиной алюминиевой металлизации на контактных площадках 6,7 мкм. Толщина подслоя алюминия, легированного 1% ТІ, составляла 1,1 мкм. В качестве выводов применялась алюминиевая лента шириной 1,35 мм. Лента была получена прокаткой алюминиевой проволоки АОЦПоМ (ТУ 6365-051-46594157-2004) диаметром 500 мкм, с последующим отжигом в вакууме при температуре 300 °С в течение 7 мин.

Для напайки кристаллов (припой ВПр6) на медные основания в формир - газе использовалась установка ЭМ-4085-14М. Температура в зоне пайки поддерживалась в пределах 350±5°С в течение 5 - 10 с.

Соединения разваривались на установке УСИММ-61, инструментом КУТ42-400-700. Инструмент был доработан для УЗС лентой. Длина рабочей площадки инструмента составляла 450 мкм, ширина 2000 мкм.

Рис. 2. Внешний вид сварных соединений: а) после сварки; б) после оценки прочности соединений методом отрыва ленты под углом 90° к плоскости кристалла. Размер кристалла 9,15 х 9,15 мм2.

Для каждой комбинации факторов было проведено 8 параллельных опытов (п=8). Прочность соединений определялась натяжением лента под углом 90° к плоскости образца до разрушения соединений с одновременным контролем характера разрушения. Внешний вид сварных соединений показан на рис. 2.

После проверки значимости

коэффициентов с помощью критерия Стьюдента математическая модель (1) с учетом значимости коэффициентов полинома имеет вид [2]

У= 721,3 + 16,3х1 + 1,3х2+38,8х3—23,8х1х2.

Теоретические значения прочности соединений для каждого опыта у:ф

предсказываемые математической моделью представлены в табл. 3.

Проведена проверка адекватности математической модели результатам эксперимента. Вычисленная дисперсия адекватности Б2ад = 19,79 не превышает

дисперсии опыта 82{>’} = 33,93.

Таблица 3

Зависимость прочности соединений алюминиевой ленты с алюминиевой металлизацией кристаллов СПП от исследуемых факторов

Номер опыта Усилие сжатия инструмента Р, сН Мощность W, дел. лимба Время сварки т, мс Прочность соединений

экспериментальная У^ сН теоретическая У4і, сН

1 600 165 55 650 641,25

2 650 165 55 720 721,25

3 600 155 55 690 691,25

4 650 155 55 670 676,25

5 600 165 40 710 718,75

6 650 165 40 800 798,75

7 600 155 40 770 768,75

8 650 155 40 760 753,75

Полученная математическая модель адекватно представляет результаты эксперимента.

Исследование функции на экстремум показало, что максимальное значение прочности соединений достигается при следующих значениях безразмерных факторов Х1=+1; х2=-1; х3=+1. Следовательно, оптимальными параметрами процесса УЗС будут следующие значения: Р = 650

сН, W = 165 дел. лимба; топт=40 мс [2].

Максимальная теоретическая прочность соединений, предсказываемая математической моделью при этих значениях параметров, составляет 798,75 сН.

Выводы

На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований оптимальными режимами УЗС внутренних выводов из алюминиевого сплава АОЦПоМ (ТУ 6365-05146594157-2004) к контактным площадкам кристаллов силовых СПП являются:

1. Усилие сжатия инструмента Р = 590 сН,

мощность ультразвуковых колебаний W = 150 дел. лимба установки, время сварки топт=40 мс (для сварки проволокой диаметром 0,4 мм к

алюминиевой пленке толщиной 4,5 мкм (толщина нижнего слоя алюминия, легированного 1% N1, составляет 0,2 мкм).

2. Усилие сжатия инструмента Р = 650 сН, мощность ультразвуковых колебаний W = 165 дел. лимба установки, время сварки топт=40 мс (для сварки лентой сечением 1,35х0,45 мм2 к алюминиевой пленке толщиной 6,7 мкм (толщина

нижнего слоя алюминия, легированного 1% Т1, составляет 1,1 мкм).

Литература

1. Современный эксперимент: подготовка,

проведение, анализ результатов / В.Г. Блохин, О.П. Глудкин, А.И. Гуров, М. А. Ханин; под ред. О.П. Глудкина. - М., 1997. - 232 с.

2. Оптимизация режимов ультразвуковой сварки проволочных выводов к корпусам мощных полупроводниковых приборов / В.В. Зенин, Д.И. Бокарев, Ю.Е. Сегал, В.И. Фролов // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс). Материалы докл. Междунар. науч.-метод. семинара (Москва, 20-24 ноября 2000 г.), М., 2001. С.202-206.

Воронежский государственный технический университет

OPTIMIZATION OF MODES OF ULTRASONIC WELDING OF THE WIRE AND TAPE FROM ALUMINIUM TO CRYSTALS OF POWER SEMI-CONDUCTOR DEVICES I.A. Kadanstev, V.V. Zenin, D.I. Bokarev

Durability of welded connections of aluminum conclusions in the form of a wire and a tape with two-layer aluminum metallization of crystals of power semi-conductor devices is investigated. Dependence of durability of welded connections on modes of ultrasonic welding is established. The model is developed for optimization of modes of ultrasonic welding of internal conclusions to crystals of power semi-conductor devices

Key words: aluminum, metallization, wire, tape, optimization