某48V IBSG 電機(jī)功率模塊bonding 脫線的原因與解決方案

李 楠 李網(wǎng)靜 盧本友 劉 爽 孫百重

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)國際化及國內(nèi)的油耗排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，混合動(dòng)力汽車已成為發(fā)展趨勢。48 V 微混動(dòng)力系統(tǒng)作為改動(dòng)最小、節(jié)油的系統(tǒng)，被汽車生產(chǎn)廠家廣泛列為降低汽車油耗及排放的技術(shù)手段。全球范圍內(nèi)，奔馳、寶馬、奧迪等OEM 汽車公司已有相應(yīng)的車型上市；通用、福特、大眾等汽車公司也在不斷地進(jìn)行研發(fā)。在國內(nèi)，吉利、長安、江鈴等汽車公司已推出了自主品牌車型[1]。

48VIBSG 電機(jī)作為48V 微混動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，其品質(zhì)直接決定了該系統(tǒng)是否可以正常工作。本文針對(duì)某48VIBSG 電機(jī)在運(yùn)行過程中遇到電機(jī)功率模塊bonding 脫線問題的產(chǎn)生原因和解決方案做了介紹。

1 背景介紹

48 V IBSG 電機(jī)由電機(jī)本體和控制器模塊組成，電機(jī)本體為電機(jī)的執(zhí)行部件，對(duì)外做功；控制器是電機(jī)的大腦?？刂破髦校β誓K將電機(jī)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出給48 V 電池，使電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用；也可以將48 V 電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，使電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用。因此，功率模塊在電機(jī)控制器中起著重中之重的作用。

控制器中包含集成電路（Integrate Circuit，IC）。集成電路是當(dāng)代微電子學(xué)的主體，是電子工業(yè)的基礎(chǔ)和核心[2]。芯片封裝是芯片產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，芯片封裝的好壞直接決定了集成電路的品質(zhì)。在IC 封裝中，芯片與引線框架（基板）連接，引線連接（wire bonding）是其中一個(gè)關(guān)鍵的工藝[3-4]。

引線連接是一種利用熱、壓力、超聲波能量將半導(dǎo)體芯片引腳與基板上布線用金屬細(xì)絲連接的工藝[5]。本文介紹的48 V IBSG 電機(jī)控制模塊中的功率模塊使用了200 μm 的bonding 工藝。

48 V IBSG 電機(jī)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)車輛無法起動(dòng)故障，在后續(xù)的排查過程中發(fā)現(xiàn)，原因是電機(jī)控制模塊中的功率模塊bonding 脫線。

2 故障及原因分析

2.1 故障分析

故障電機(jī)返回后，進(jìn)行故障分析。

1）讀取DTC 代碼，結(jié)果為48 V 電壓傳感器CLOC 故障。如圖1 所示。

圖1 電機(jī)DTC 代碼

2）測試功率模塊二極管壓降，結(jié)果顯示，功率模塊C2 相二極管短路。如表1 所示。

表1 功率模塊測試結(jié)果

3）對(duì)C2 驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電路上元件進(jìn)行檢測，結(jié)果正常。如圖2 所示。

圖2 C2 驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電路元件檢測

4）去除C2 功率模塊，對(duì)電容盒進(jìn)行檢測，結(jié)果正常。如表2 所示。表中，Capacitor 為電容量，ESR 為等效串聯(lián)電阻。

表2 去除C2 功率模塊后電容盒檢測結(jié)果

經(jīng)過分析，結(jié)果為電機(jī)控制器模塊中的功率模塊C2 相體二極管短路。

圖3 為C2 功率模塊與正常功率模塊對(duì)比。可以看出，C2 功率模塊出現(xiàn)燒蝕。

圖3 C2 不正常功率模塊對(duì)比正常功率模塊

圖4 為C2 功率模塊與基板的bonding 線脫焊。

圖4 C2 功率模塊與基板的bonding 線脫焊

基板上門驅(qū)焊線出現(xiàn)異常，C2 MOS HS 信號(hào)紊亂，從而導(dǎo)致C2 MOS HS 失控，失控電流擊穿C2 MOS HS，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)芯片損壞，C2 MOS LS 信號(hào)紊亂，進(jìn)而C2 MOS LS 失控被擊穿。

通過分析，電機(jī)失效的根本原因是電機(jī)控制模塊中功率模塊與基板的bonding 線脫焊。

2.2 原因分析

電機(jī)控制模塊中，功率模塊與基板bonding 線脫線的本質(zhì)原因是焊接力＜120gf。

導(dǎo)致焊接力不足的原因可能有：

1）基板底部缺膠，bonding 過程中，基板支承不穩(wěn)，能量損失，影響了bonding 的強(qiáng)度。示意圖如圖5所示。

圖5 bonding 基板底部缺膠示意圖

2）基板底部膠溢出過多，bonding 點(diǎn)被污染，阻礙金屬間的相互擴(kuò)散。示意圖如圖6 所示。

圖6 bonding 基板底部膠溢出過多示意圖

通過對(duì)故障件及本批次產(chǎn)品的調(diào)查，進(jìn)行點(diǎn)膠量、點(diǎn)膠路徑、基板下壓高度、膠切片空洞、外界元素、基板傾角、基板邊角狀態(tài)、基板溢膠寬度檢測，發(fā)現(xiàn)故障件確實(shí)存在bonding 基板底部缺膠和bonding基板底部膠溢出過多現(xiàn)象，分別如圖7、圖8 所示。

圖7 bonding 基板底部缺膠

圖8 bonding 基板底部溢膠過多

為了進(jìn)一步鎖定故障原因，進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。

1）為了模擬基板底部缺膠，特制12 件質(zhì)量不良的功率模塊，編為1～12 號(hào)樣品。并對(duì)每一件樣品的bonding 基板的四角進(jìn)行確認(rèn)，確保都處于缺膠狀態(tài)。如圖9 所示。

圖9 基板兩角缺膠

200 μm 的bonding 線編號(hào)由右向左編號(hào)，分別為wire1～wire17，如圖10 所示。

圖10 200 μm bonding 編號(hào)

拉力測試結(jié)果如圖11 所示。

圖11 拉力測試數(shù)據(jù)（控制下限≥176gf）

通過拉力測試，5 號(hào)、9 號(hào)樣品的wire1 線拉力小于控制下限，8 號(hào)樣品的wire9 線拉力小于控制下限。

推力測試結(jié)果如圖12 所示。

圖12 推力測試數(shù)據(jù)（控制下限≥360gf）

通過推力測試，8 號(hào)樣品的wire11 推力小于控制下限。并且8 號(hào)樣品wire1、wire2、wire3 和wire8、wire9 線少膠的平均推力比膠充足的wire4、wire5、wire6、wire7 線推力小。

2）為了模擬基板底部溢膠過多狀態(tài)，調(diào)整膠量，使膠量溢出超過標(biāo)準(zhǔn)值，膠厚度≥0.472 5cm，視為膠溢出過多。如圖13 所示。

圖13 溢膠過多示意圖

圖中，Hglue表示膠厚度，Hceramic表示陶瓷板厚度。通過不良樣品與正常樣品的拉力和推力測試，溢膠過多樣品的拉力和推力均在控制下限之上，未出現(xiàn)脫線問題。溢膠過多樣品與正常樣品的拉力和推力測試結(jié)果分別如圖14、圖15 所示。

圖14 溢膠過多樣品與正常樣品的拉力測試數(shù)據(jù)（控制下限≥176gf）

圖15 溢膠過多樣品與正常樣品的 推力測試數(shù)據(jù)（控制下限≥360gf）

通過故障再現(xiàn)測試和數(shù)據(jù)對(duì)比可知，基板少膠是導(dǎo)致bonding 脫線的根本原因?；逑路近c(diǎn)膠后，基板少膠使得bonding 過程中基板的支承不穩(wěn)定，導(dǎo)致bonding 焊接力不足。

3 解決方案及驗(yàn)證措施

3.1 解決方案

從市場售后表現(xiàn)來看，該電機(jī)因?yàn)閎onding 脫線導(dǎo)致的失效未達(dá)到批量不良的狀態(tài)，說明非工藝參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤所致。進(jìn)一步的研究表明，基板下方的點(diǎn)膠路徑對(duì)基板四角缺膠有很大的影響，必須對(duì)基板下方的點(diǎn)膠路徑進(jìn)行優(yōu)化。

圖16 為優(yōu)化前的基板下方點(diǎn)膠路徑。優(yōu)化前，點(diǎn)膠路徑方正。但在基板下壓后，基板的四角容易出現(xiàn)膠缺失。

圖16 優(yōu)化前基板下方點(diǎn)膠路徑

圖17 為優(yōu)化后的基板下方點(diǎn)膠路徑。優(yōu)化后，點(diǎn)膠路徑呈現(xiàn)中間向四周發(fā)散，基板四角的膠分布更均勻，且不容易出現(xiàn)溢膠的現(xiàn)象。

圖17 優(yōu)化后基板下方點(diǎn)膠路徑

3.2 驗(yàn)證措施

優(yōu)化點(diǎn)膠路徑后，驗(yàn)證其合理性。

1）用同一劈刀（bond tool）制作60 個(gè)樣品，并進(jìn)行拉力和推力測試，結(jié)果如圖18 所示。從圖18 可以看出，拉力和推力均在控制下限之上。

圖18 200 μm bonding 拉力和推力測試結(jié)果

2）用3 種不同狀態(tài)的劈刀（bond tool）各制作30個(gè)樣品，并進(jìn)行拉力和推力測試。結(jié)果表明，優(yōu)化后，拉力和推力均在控制下限之上，并且優(yōu)于優(yōu)化前的狀態(tài)，基板邊角少膠狀況也得到了改善。

圖19 和圖20 分別為優(yōu)化前和優(yōu)化后邊角少膠情況。

從圖19 和圖20 的對(duì)比可以看出，優(yōu)化后，基板邊角的少膠范圍減小了很多。

圖19 優(yōu)化前邊角少膠情況

圖20 優(yōu)化后邊角少膠情況

圖21 和圖22 分別為優(yōu)化前和優(yōu)化后的200 μm bonding 拉力測試數(shù)據(jù)。

從圖21 和圖22 的對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的最小拉力176 gf 大于優(yōu)化前的最小拉力133 gf。

圖21 優(yōu)化前拉力測試數(shù)據(jù)

圖22 優(yōu)化后拉力測試數(shù)據(jù)

圖23 和圖24 分別為優(yōu)化前和優(yōu)化后的200 μm bonding 推力測試數(shù)據(jù)。

從圖23 和圖24 的對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的最小推力382 gf 大于優(yōu)化前的最小推力381 gf。

圖23 優(yōu)化前推力測試數(shù)據(jù)

圖24 優(yōu)化后推力測試數(shù)據(jù)

該優(yōu)化可以適應(yīng)不同狀態(tài)的劈刀（bond tool）焊接。

3）加大樣品數(shù)量到1 000 個(gè)，并且不分劈刀狀態(tài)，進(jìn)行拉力和推力測試。結(jié)果表明，優(yōu)化后的拉力和推力均大于優(yōu)化前。

從1 000 個(gè)樣品中分別挑選出拉力和推力最小的一個(gè)樣品進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的拉力和推力數(shù)據(jù)分別如圖25 和26 所示。

圖25 優(yōu)化后拉力測試數(shù)據(jù)

從圖25 和圖26 可以看出，優(yōu)化后的最小拉力157 g（f雖小于控制下限但大于標(biāo)準(zhǔn)值）大于優(yōu)化前的最小拉力133 gf；優(yōu)化后的最小推力495 gf 大于優(yōu)化前的最小推力381 gf。

圖26 優(yōu)化后推力測試數(shù)據(jù)

該優(yōu)化方案應(yīng)用到后續(xù)的市場中，未再出現(xiàn)電機(jī)功率模塊bonding 脫線的不良現(xiàn)象，優(yōu)化方案有效。

5 結(jié)束語

本文介紹了某48 V 微混動(dòng)力系統(tǒng)中IBSG 電機(jī)功率模塊bonding 脫線產(chǎn)生的原因及對(duì)應(yīng)的解決驗(yàn)證方案。在不增加成本的前提下，優(yōu)化方案提高了電機(jī)的產(chǎn)品品質(zhì)，對(duì)于因此原因?qū)е碌碾姍C(jī)失效問題的解決具有一定的指導(dǎo)和參考意義。