某48V IBSG 电机功率模块bonding 脱线的原因与解决方案

李 楠 李网静 卢本友 刘 爽 孙百重

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

随着汽车产业国际化及国内的油耗排放标准日趋严格，混合动力汽车已成为发展趋势。48 V 微混动力系统作为改动最小、节油的系统，被汽车生产厂家广泛列为降低汽车油耗及排放的技术手段。全球范围内，奔驰、宝马、奥迪等OEM 汽车公司已有相应的车型上市；通用、福特、大众等汽车公司也在不断地进行研发。在国内，吉利、长安、江铃等汽车公司已推出了自主品牌车型[1]。

48VIBSG 电机作为48V 微混动力系统的重要组成部分，其品质直接决定了该系统是否可以正常工作。本文针对某48VIBSG 电机在运行过程中遇到电机功率模块bonding 脱线问题的产生原因和解决方案做了介绍。

1 背景介绍

48 V IBSG 电机由电机本体和控制器模块组成，电机本体为电机的执行部件，对外做功；控制器是电机的大脑。控制器中，功率模块将电机的交流电转换为直流电输出给48 V 电池，使电机作为发电机使用；也可以将48 V 电池的直流电转化为交流电，使电机作为电动机使用。因此，功率模块在电机控制器中起着重中之重的作用。

控制器中包含集成电路（Integrate Circuit，IC）。集成电路是当代微电子学的主体，是电子工业的基础和核心[2]。芯片封装是芯片产业的重要环节，芯片封装的好坏直接决定了集成电路的品质。在IC 封装中，芯片与引线框架（基板）连接，引线连接（wire bonding）是其中一个关键的工艺[3-4]。

引线连接是一种利用热、压力、超声波能量将半导体芯片引脚与基板上布线用金属细丝连接的工艺[5]。本文介绍的48 V IBSG 电机控制模块中的功率模块使用了200 μm 的bonding 工艺。

48 V IBSG 电机在运行过程中，出现车辆无法起动故障，在后续的排查过程中发现，原因是电机控制模块中的功率模块bonding 脱线。

2 故障及原因分析

2.1 故障分析

故障电机返回后，进行故障分析。

1）读取DTC 代码，结果为48 V 电压传感器CLOC 故障。如图1 所示。

图1 电机DTC 代码

2）测试功率模块二极管压降，结果显示，功率模块C2 相二极管短路。如表1 所示。

表1 功率模块测试结果

3）对C2 驱动电路和驱动电路上元件进行检测，结果正常。如图2 所示。

图2 C2 驱动电路和驱动电路元件检测

4）去除C2 功率模块，对电容盒进行检测，结果正常。如表2 所示。表中，Capacitor 为电容量，ESR 为等效串联电阻。

表2 去除C2 功率模块后电容盒检测结果

经过分析，结果为电机控制器模块中的功率模块C2 相体二极管短路。

图3 为C2 功率模块与正常功率模块对比。可以看出，C2 功率模块出现烧蚀。

图3 C2 不正常功率模块对比正常功率模块

图4 为C2 功率模块与基板的bonding 线脱焊。

图4 C2 功率模块与基板的bonding 线脱焊

基板上门驱焊线出现异常，C2 MOS HS 信号紊乱，从而导致C2 MOS HS 失控，失控电流击穿C2 MOS HS，导致驱动芯片损坏，C2 MOS LS 信号紊乱，进而C2 MOS LS 失控被击穿。

通过分析，电机失效的根本原因是电机控制模块中功率模块与基板的bonding 线脱焊。

2.2 原因分析

电机控制模块中，功率模块与基板bonding 线脱线的本质原因是焊接力＜120gf。

导致焊接力不足的原因可能有：

1）基板底部缺胶，bonding 过程中，基板支承不稳，能量损失，影响了bonding 的强度。示意图如图5所示。

图5 bonding 基板底部缺胶示意图

2）基板底部胶溢出过多，bonding 点被污染，阻碍金属间的相互扩散。示意图如图6 所示。

图6 bonding 基板底部胶溢出过多示意图

通过对故障件及本批次产品的调查，进行点胶量、点胶路径、基板下压高度、胶切片空洞、外界元素、基板倾角、基板边角状态、基板溢胶宽度检测，发现故障件确实存在bonding 基板底部缺胶和bonding基板底部胶溢出过多现象，分别如图7、图8 所示。

图7 bonding 基板底部缺胶

图8 bonding 基板底部溢胶过多

为了进一步锁定故障原因，进行故障复现试验。

1）为了模拟基板底部缺胶，特制12 件质量不良的功率模块，编为1～12 号样品。并对每一件样品的bonding 基板的四角进行确认，确保都处于缺胶状态。如图9 所示。

图9 基板两角缺胶

200 μm 的bonding 线编号由右向左编号，分别为wire1～wire17，如图10 所示。

图10 200 μm bonding 编号

拉力测试结果如图11 所示。

图11 拉力测试数据（控制下限≥176gf）

通过拉力测试，5 号、9 号样品的wire1 线拉力小于控制下限，8 号样品的wire9 线拉力小于控制下限。

推力测试结果如图12 所示。

图12 推力测试数据（控制下限≥360gf）

通过推力测试，8 号样品的wire11 推力小于控制下限。并且8 号样品wire1、wire2、wire3 和wire8、wire9 线少胶的平均推力比胶充足的wire4、wire5、wire6、wire7 线推力小。

2）为了模拟基板底部溢胶过多状态，调整胶量，使胶量溢出超过标准值，胶厚度≥0.472 5cm，视为胶溢出过多。如图13 所示。

图13 溢胶过多示意图

图中，Hglue表示胶厚度，Hceramic表示陶瓷板厚度。通过不良样品与正常样品的拉力和推力测试，溢胶过多样品的拉力和推力均在控制下限之上，未出现脱线问题。溢胶过多样品与正常样品的拉力和推力测试结果分别如图14、图15 所示。

图14 溢胶过多样品与正常样品的拉力测试数据（控制下限≥176gf）

图15 溢胶过多样品与正常样品的 推力测试数据（控制下限≥360gf）

通过故障再现测试和数据对比可知，基板少胶是导致bonding 脱线的根本原因。基板下方点胶后，基板少胶使得bonding 过程中基板的支承不稳定，导致bonding 焊接力不足。

3 解决方案及验证措施

3.1 解决方案

从市场售后表现来看，该电机因为bonding 脱线导致的失效未达到批量不良的状态，说明非工艺参数设置错误所致。进一步的研究表明，基板下方的点胶路径对基板四角缺胶有很大的影响，必须对基板下方的点胶路径进行优化。

图16 为优化前的基板下方点胶路径。优化前，点胶路径方正。但在基板下压后，基板的四角容易出现胶缺失。

图16 优化前基板下方点胶路径

图17 为优化后的基板下方点胶路径。优化后，点胶路径呈现中间向四周发散，基板四角的胶分布更均匀，且不容易出现溢胶的现象。

图17 优化后基板下方点胶路径

3.2 验证措施

优化点胶路径后，验证其合理性。

1）用同一劈刀（bond tool）制作60 个样品，并进行拉力和推力测试，结果如图18 所示。从图18 可以看出，拉力和推力均在控制下限之上。

图18 200 μm bonding 拉力和推力测试结果

2）用3 种不同状态的劈刀（bond tool）各制作30个样品，并进行拉力和推力测试。结果表明，优化后，拉力和推力均在控制下限之上，并且优于优化前的状态，基板边角少胶状况也得到了改善。

图19 和图20 分别为优化前和优化后边角少胶情况。

从图19 和图20 的对比可以看出，优化后，基板边角的少胶范围减小了很多。

图19 优化前边角少胶情况

图20 优化后边角少胶情况

图21 和图22 分别为优化前和优化后的200 μm bonding 拉力测试数据。

从图21 和图22 的对比可以看出，优化后的最小拉力176 gf 大于优化前的最小拉力133 gf。

图21 优化前拉力测试数据

图22 优化后拉力测试数据

图23 和图24 分别为优化前和优化后的200 μm bonding 推力测试数据。

从图23 和图24 的对比可以看出，优化后的最小推力382 gf 大于优化前的最小推力381 gf。

图23 优化前推力测试数据

图24 优化后推力测试数据

该优化可以适应不同状态的劈刀（bond tool）焊接。

3）加大样品数量到1 000 个，并且不分劈刀状态，进行拉力和推力测试。结果表明，优化后的拉力和推力均大于优化前。

从1 000 个样品中分别挑选出拉力和推力最小的一个样品进行优化，优化后的拉力和推力数据分别如图25 和26 所示。

图25 优化后拉力测试数据

从图25 和图26 可以看出，优化后的最小拉力157 g（f虽小于控制下限但大于标准值）大于优化前的最小拉力133 gf；优化后的最小推力495 gf 大于优化前的最小推力381 gf。

图26 优化后推力测试数据

该优化方案应用到后续的市场中，未再出现电机功率模块bonding 脱线的不良现象，优化方案有效。

5 结束语

本文介绍了某48 V 微混动力系统中IBSG 电机功率模块bonding 脱线产生的原因及对应的解决验证方案。在不增加成本的前提下，优化方案提高了电机的产品品质，对于因此原因导致的电机失效问题的解决具有一定的指导和参考意义。