微電子封裝銀合金鍵合線的研究及發(fā)展前景

曹軍，吳衛星(河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南焦作454150)

摘要：論述了微電子封裝中常用的鍵合金線、鍵合銅線和鍵合銀線的局限性，從機械性能(néng)、鍵合性能(néng)、可靠性等方面(miàn)分析了鍵合銀合金線的特征及作爲鍵合引線的優勢，并在此基礎上闡述了鍵合銀合金線重點研究方向(xiàng)以及在未來集成(chéng)電路封裝中的發(fā)展前景。

引線鍵合以其工藝簡單、技術成(chéng)熟、成(chéng)本低廉、适合多種(zhǒng)封裝形式的特點，在電子封裝中依然是主流技術。随著(zhe)微電子産業的蓬勃發(fā)展，對(duì)封裝技術的要求越來越高，芯片封裝技術朝著(zhe)高密度、小型化、适應高發(fā)熱方向(xiàng)發(fā)展，對(duì)鍵合引線的要求也越來越高，高密度、高熱導率、低弧度、超細直徑的鍵合引線成(chéng)爲了研發(fā)重點。鍵合金線因其耐腐蝕性好(hǎo)、可靠性高，在集成(chéng)電路封裝行業的中高端産品中廣泛使用，但是金線造價昂貴，爲降低封裝成(chéng)本，市場上又相繼推出了各種(zhǒng)金線的替代品，其中鍵合銅線作爲金線的可行性替代材料已經(jīng)開(kāi)始應用，但由于其硬度較大，鍵合時(shí)容易導緻芯片損傷；且在非氣密性封裝中易發(fā)生腐蝕，直接影響鍵合後(hòu)器件的可靠性，隻能(néng)應用于一些中低端産品。鍵合銀線由于其優秀的電熱學(xué)性能(néng)(可降低器件高頻噪聲、降低大功率LED發(fā)熱量等)、良好(hǎo)的穩定性及适當的成(chéng)本因素，開(kāi)始逐漸應用于微電子封裝中，但純銀線具有強度低、易發(fā)生電子遷移、金屬間化合物生長(cháng)難以控制，以及較易被(bèi)腐蝕硫化等弊端，導緻純銀線鍵合可靠性低，使之高可靠性、低弧度等封裝領域應用受到限制。通過(guò)合金化獲得高性能(néng)鍵合銀合金線是改善鍵合銀線性能(néng)的途徑，可有效克服純銀線在電子封裝中強度低、電子遷移率高、易腐蝕及集成(chéng)微電子電路IMC生長(cháng)不易控制等問題，是鍵合引線重點研究和發(fā)展的方向(xiàng)。

1常用鍵合引線在微電子封裝中的局限

1．1鍵合金線

金線因其良好(hǎo)的穩定性及較易擴散到基體金屬産生一定的連接強度以滿足鍵合連接強度要求，在電子工業中廣泛應用。但金線在鍵合過(guò)程中存在純金強度低且價格昂貴、容易形成(chéng)塌絲、尾絲過(guò)長(cháng)等問題(如圖l、2實測圖片所示)；加入微合金成(chéng)分後(hòu)雖然會(huì)增大機械強度，但會(huì)增加電阻率和降低其抗蠕變能(néng)力而斷裂失效，封裝成(chéng)本也過(guò)高。另外金的耐熱性差，再結晶溫度較低，球焊時(shí)容易造成(chéng)球頸部斷裂；Au—A1引線鍵合系統中，由于相互擴散速率差異，在鍵合界面(miàn)容易形成(chéng)引起(qǐ)高電阻或電路開(kāi)路的柯肯達爾空洞和導緻脆性斷裂的金屬間化合物，導緻引線鍵合失效。

1．2鍵合銅線

随著(zhe)微電子封裝行業的快速發(fā)展，鍵合銅線因其優良的力學(xué)性能(néng)和電學(xué)性能(néng)且成(chéng)本較低，越來越多的在分立器件、表面(miàn)貼裝型封裝(SOP)等中廣泛應用。其中微合金銅線、鍍钯銅線等高性能(néng)銅線逐步被(bèi)應用于集成(chéng)電路中。但是鍵合銅線容易氧化(如圖3所示)，在球焊過(guò)程中須采用N2+H2混合氣體保護，增加了使用成(chéng)本。此外銅線硬度過(guò)高又容易造成(chéng)基闆損傷，形成(chéng)“彈坑”缺陷(如圖4所示)。鍵合銅線在高溫高濕環境下鍵合界面(miàn)生成(chéng)了Cu9A14金屬間化合物，在弱酸環境下易腐蝕，進(jìn)而鍵合界面(miàn)形成(chéng)裂紋(如圖5所示)，導緻引線鍵合失效，這(zhè)些都(dōu)阻礙了銅鍵合線在高端微電子封裝中的應用。

1．3鍵合銀線

鍵合銀線有高導電率及易于成(chéng)球等優點，開(kāi)始在部分引線封裝中應用，但由于導熱率高、高溫強度低等原因，其鍵合過(guò)程中參數窗口範圍較小，且高溫條件下球焊點頸部強度低而引起(qǐ)頸部裂紋失效的幾率較高(如圖6實測圖片所示)，進(jìn)而降低生産效率及大功率LED器件的使用壽命；此外，純銀線又較易被(bèi)腐蝕硫化導緻鍵合的可靠性低(如圖7實測圖片所示)，這(zhè)些都(dōu)制約了鍵合銀線的應用。

2銀合金線的發(fā)展及優勢

2．1銀合金線研究現狀

銀與钯具有很多相似的性質且能(néng)夠無限互溶形成(chéng)連續的網熔體，加入钯元素後(hòu)能(néng)夠有效提高銀基體的耐腐蝕性、力學(xué)性能(néng)及高溫可靠性。Chuang等研究了Ag-4Pd鍵合合金線熱處理過(guò)程，得出熱處理過(guò)程中易于形成(chéng)孿晶組織的結論；Guo等對(duì)Ag-8Au-3Pd鍵合合金線的無空氣焊球(FreeAirBall，FAB)形成(chéng)過(guò)程進(jìn)行研究，得出了低電流、長(cháng)時(shí)間的鍵合參數易于形成(chéng)無缺陷FAB的結論：Du等對(duì)銀合金線和鍍钯銅線在濕熱環境下的可靠性進(jìn)行了對(duì)比研究，得出銀合金線可靠性高于鍍钯銅線的結論；Tseng等對(duì)Ag-2Pd鍵合合金線鍵合界面(miàn)特性進(jìn)行研究，得出钯元素可以減緩鍵合界面(miàn)金屬間化合物生長(cháng)和擴散速度的結論。上述研究爲銀合金線在微電子封裝中的廣泛應用提供了理論支持。

2．2銀合金線優勢

與金線相比，銀合金線工藝參數與金線相似，且鍵合參數窗口較大，鍵合适應性強。銀合金線成(chéng)本相對(duì)較低，是同等線徑的金線的20％左右。銀合金線在LED封裝中，其反光性較好(hǎo)，不吸光，亮度與使用金線封裝相比較可提高10％左右。由于基體爲銀，與鍍銀支架焊接時(shí)，可焊性較好(hǎo)。通過(guò)摻雜铈、镧等合金元素，可提高銀合金線的抗腐蝕和抗氧化性能(néng)，降低IMC的生長(cháng)和擴散速度，增強了銀合金線鍵合點可靠性。

2.2.1銀合金線力學(xué)性能(néng)

鍵合引線材料的力學(xué)性能(néng)是鍵合質量的關鍵，較高的強度能(néng)使鍵合線抵抗一定的機械應力，具有穩定的成(chéng)弧性。合理的伸長(cháng)率能(néng)夠獲得穩定的尾絲長(cháng)度，進(jìn)而确保了FAB形狀均勻，獲得穩定的第一焊點形貌。表1是20μm鍵合金線、鍵合銅線、鍵合銀線、鍵合銀合金線等力學(xué)性能(néng)對(duì)比。從表1中可以看出銀合金線具有較高的強度和伸長(cháng)率，可以滿足低弧度、長(cháng)間距及高密度引線器件封裝。

2.2.2銀合金線的鍵合性能(néng)

Gu等研究了銀合金線和鍍钯銅線鍵合強度，得出銀合金線鍵合強度高于鍍钯銅線，且其FAB硬度低、鍵合參數較小的結論。在銀基體中添加金、钯等元素，金和钯能(néng)與銀發(fā)生包晶反應，降低銀的晶界電壓，進(jìn)而減慢銀合金線的電化學(xué)腐蝕。添加鋁、钛等元素能(néng)在銀表面(miàn)形成(chéng)緻密的氧化層，使銀表面(miàn)鈍化，減少硫化、氧化等腐蝕，提高銀合金線的抗腐蝕和抗氧化性能(néng)。用0．1mol／L硫化鈉水溶液室溫下浸泡金線、鍍钯銅線、銀線和銀合金線200h獲得抗腐蝕數據如圖8所示。從圖8中可以看出銀合金線的抗腐蝕性能(néng)較好(hǎo)，跟金線基本一緻。由于銀合金線良好(hǎo)的耐腐蝕性能(néng)，在用電子火焰(EFO)燒球過(guò)程中無需氣體保護，球表面(miàn)平整光滑且球焊點形狀較規則(如圖9所示)，易于獲得穩定的第一焊點形貌。但對(duì)于銀合金線而言，合金成(chéng)分不合理或合金成(chéng)分不均勻會(huì)導緻FAB凝固區間較大，從而産生偏球、高爾夫球等缺陷，由此，優化的合金組份及合金成(chéng)分的均勻是确保銀合金線良好(hǎo)鍵合性能(néng)的關鍵。

2.2.3銀合金線的可靠性Gu等進(jìn)一步對(duì)銀合金線進(jìn)行了高加速溫濕度測試(UHAST)、高溫儲存測(HTST)、溫度循環測試(TCT)，測試結果如表2所示。UHAST240h時(shí)約50％的芯片發(fā)現了電氣腐蝕問題，但HTS能(néng)通過(guò)500h，TCT能(néng)通過(guò)1000個循環。通過(guò)增加钯的含量可有效抑制界面(miàn)腐蝕已被(bèi)研究者們證實，調整銀合金線中微量元素的含量可使其可靠性進(jìn)一步提高。由于氧氣的存在，銀線在高溫高濕環境中會(huì)産生電化學(xué)腐蝕，使界面(miàn)産生裂紋。對(duì)于銀合金線，由于钯的存在，钯與氧形成(chéng)PdO富集在表面(miàn)阻礙銀離子擴散，界面(miàn)沒(méi)有裂紋。

3結語

1)銀合金線具有優良的機械性能(néng)、鍵合性能(néng)、抗腐蝕與抗氧化性能(néng)及較高的可靠性。

2)合金元素可有效抑制銀線的電子遷移，減緩IMC的生長(cháng)和擴散，提高器件的可靠性。

3)合金成(chéng)分不合理或合金成(chéng)分不均勻會(huì)導緻FAB凝固區間較大，從而易于産生FAB缺陷，優化合金組份是獲得高性能(néng)鍵合銀合金線的關鍵。