close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

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

код для вставкиСкачать
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.1
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]
K
Y = b0 + ∑ b j X j +
j =1
K
∑b
u , j =1
u≠ j
uj
K
X u X j + ∑ b jj X ,(1)
j =1
2
j
где Y – функция отклика, а Х1, Х2, …, Хn –
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: Y = f (Х1, Х2,
…, Хn) и значения Хi, обеспечивающие экстремум
(максимум) функции.
Для удобства обработки результатов опытов
проводилось
преобразование
значений
управляемых
переменных
(учитываемых
в
эксперименте факторов Хi) к безразмерным
величинам
Хiб = (Хi – Хоi) / ∆Хi ,
где Хi – текущее значение i-го фактора; Хоi –
базовое или начальное значение i-го фактора в
центре плана; ∆Хi – значение интервала
варьирования по i-му фактору.
Если в эксперименте варьируются 3 фактора,
а
предполагаемая
математическая
модель
исследуемого
процесса
линейна,
то
она
соответствует полиному вида
Y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3
+ b23x2x3 + b123x1x2x3,
где Y – значение функции отклика; x1, x2, x3 –
значения исследуемых факторов; b0 – значение
функции отклика в центре плана; b1, b2, b3 –
коэффициенты, характеризующие степень влияния
факторов на функцию отклика; b12, b13, b23, b123 –
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
bi =
xξ
∑
ξ
=1
N
i
yξ
,
–
коэффициент
полинома,
где
bi
соответствующий i-фактору; ξ – номера опытов; хξi
– значение безразмерного фактора в матрице
планирования, соответствующего ξ-строке и iстолбцу; yξ – значение отклика в ξ-опыте.
Для проведения эксперимента по известной
методике [1] составлена матрица планирования
полного факторного эксперимента (ПФЭ) типа 23,
представленная в табл. 1.
Таблица 1
Матрица планирования ПФЭ типа 23
Номер
опыта
Х0б
Х1б
Х2б
Х3б
Х1бХ2б
Х1бХ3б
Х2бХ3б
Х1бХ2бХ3б
yς
1
2
3
4
5
6
7
8
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
–
+
+
–
–
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
+
–
–
+
+
–
–
+
+
–
+
–
–
+
–
+
+
+
–
–
–
–
+
+
–
+
+
–
+
–
–
+
y1
y2
y3
y4
y5
y6
y7
y8
УЗС
алюминиевой
проволоки
к
кристаллам
СПП
с
алюминиевой
металлизацией. Оценивалось влияние усилия
сжатия инструмента (Х1), 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% Ni составляла 0,2
мкм.
В
качестве
выводов
применялась
алюминиевая проволока марки АОЦПоМ (ТУ 6365051-46594157-2004)
диаметром
400
мкм.
Химический состав проволоки, %: Si - 0,01; Сu 0,01; Mg - 0,01; Мn - 0,01; Fe - 0,01; Sb < 0,02; Ti (0,003-0,08); Zn - (0,03-0,28); Al - 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 b13, b23, b123 признаны статистически
незначимыми, поэтому соответствующие им члены
полинома
исключаются
из
уравнения
математической модели процесса. Остальные
коэффициенты имеют следующие значения: b1= 24,375; b2 = 0,625; b3= -23,125; b12= 6,875; b0=
596,88.
Исключение
членов
полинома,
включающих коэффициенты b13, b23, b123 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
Y= b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2, (2)
Y= 596,9-24,4x1+0,6x2-23,1x3+6,9x1x2. (3)
Теоретические среднее значения прочности
соединений
для
каждого
опыта
уξt,
предсказываемые
математической
моделью
представлены в табл. 2.
Проведена
проверка
адекватности
математической
модели
с
результатами
эксперимента. Режимы УЗС задавались в
следующих
пределах:
усилие
сжатия
инструмента Q от 590 до 650 сН, мощность
колебаний W от 145-150 дел. лимба установки,
время сварки от 40 до 60 мс.
Вычисленная дисперсия адекватности S2aд =
19,53 не превышает дисперсии опыта S2{y} = 33,42.
Следовательно, можно сделать вывод о том,
что полученная математическая модель адекватно
представляет результаты эксперимента.
а)
б)
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
Прочность соединений
Время
сжатия
Мощность W,
сварки τ,
экспериментальная теоретическая
инструдел. лимба
мс
y ξ , сН
y ξt , сН
мента Q, сН
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
на контактных площадках кристаллов СПП с
Исследование функции на экстремум
алюминиевой лентой были изготовлены кристаллы
показало, что максимальное значение прочности
с толщиной алюминиевой металлизации на
соединений достигается при следующих значениях
контактных площадках 6,7 мкм. Толщина подслоя
безразмерных факторов x1=–1; х2=–1; х3=–1.
алюминия, легированного 1% Тi, составляла 1,1
Следовательно,
оптимальными
параметрами
процесса УЗС будут следующие значения: Q = 590
мкм.
В
качестве
выводов
применялась
сН, W = 150 дел. лимба; τопт=40 мс. Максимальная
алюминиевая лента шириной 1,35 мм. Лента была
получена прокаткой алюминиевой проволоки
теоретическая
прочность
соединений,
АОЦПоМ (ТУ 6365-051-46594157-2004) диаметром
предсказываемая математической моделью при
500 мкм, с последующим отжигом в вакууме при
этих значениях параметров, составляет 650,63 сН.
температуре 300 °С в течение 7 мин.
УЗС алюминиевой ленты к кристаллам
Для напайки кристаллов (припой ВПр6) на
СПП
с
алюминиевой
металлизацией.
медные основания в формир – газе использовалась
Оценивалось влияние усилия сжатия инструмента
установка ЭМ–4085–14М. Температура в зоне
(Х1), времени
сварки
(Х2)
и мощности
ультразвуковых колебаний (Х3) на качество
пайки поддерживалась в пределах 350±5°С в
соединений алюминиевой ленты с алюминиевой
течение 5 – 10 с.
металлизацией кристаллов СПП. В качестве
Соединения разваривались на установке
критерия качества рассматривалась прочность
УСИММ–61,
инструментом
КУТ42–400–700.
соединений.
Инструмент был доработан для УЗС лентой. Длина
Для исследования влияния режимов УЗС на
рабочей площадки инструмента составляла 450
качество соединений алюминиевой металлизации
мкм, ширина 2000 мкм.
а)
б)
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 (n=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]
Y= 721,3+16,3x 1 +1,3x 2 +38,8x 3 –23,8x 1 x 2 . (4)
Теоретические
значения
прочности
соединений
для
каждого
опыта
у:ςt,
предсказываемые математической моделью
представлены в табл. 3.
Проведена
проверка
адекватности
математической
модели
результатам
эксперимента.
Вычисленная
дисперсия
адекватности S 2aд = 19,79 не превышает
дисперсии опыта S 2 {y} = 33,93.
Таблица 3
Номер
опыта
Зависимость прочности соединений алюминиевой ленты с алюминиевой
металлизацией кристаллов СПП от исследуемых факторов
1
2
3
4
5
6
7
8
Усилие
сжатия
инструмента Q, сН
600
650
600
650
600
650
600
650
Мощность
W, дел.
лимба
Время
сварки τ,
мс
165
165
155
155
165
165
155
155
55
55
55
55
40
40
40
40
Полученная
математическая
модель
адекватно представляет результаты эксперимента.
Исследование функции на экстремум
показало, что максимальное значение прочности
соединений достигается при следующих значениях
безразмерных факторов x1=+1; х2=–1; х3=+1.
Следовательно,
оптимальными
параметрами
процесса УЗС будут следующие значения: Q = 650
Прочность соединений
экспериментальная
y ξ , сН
теоретическая
y ξt , сН
650
720
690
670
710
800
770
760
641,25
721,25
691,25
676,25
718,75
798,75
768,75
753,75
сН, W = 165 дел. лимба; τопт=40 мс [2].
Максимальная
теоретическая
прочность
соединений, предсказываемая математической
моделью при этих значениях параметров,
составляет 798,75 сН.
нижнего слоя алюминия, легированного 1% Тi,
составляет 1,1 мкм).
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 Q = 590 сН,
мощность ультразвуковых колебаний W = 150 дел.
лимба установки, время сварки τопт=40 мс (для
сварки проволокой диаметром 0,4 мм к
алюминиевой пленке толщиной 4,5 мкм (толщина
нижнего слоя алюминия, легированного 1% Ni,
составляет 0,2 мкм).
2. Усилие сжатия инструмента Q = 650 сН,
мощность ультразвуковых колебаний W = 165 дел.
лимба установки, время сварки τопт=40 мс (для
сварки лентой сечением 1,35х0,45 мм2 к
алюминиевой пленке толщиной 6,7 мкм (толщина
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
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа