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微电子封装银合金键合线的研究及发展前景

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【摘要】:
曹军,吴卫星(河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454150)摘要:论述了微电子封装中常用的键合金线、键合铜线和键合银线的局限性,从机械性能、键合性能、可靠性等方面分析了键合银合金线的特征及作为键合引线的优势,并在此基础上阐述了键合银合金线重点研究方向以及在未来集成电路封装中的发展前景。 引线键合以其工艺简单、技术成熟、成本低廉、适合多种封装形式的特点,在电子封装中依然是主流技术。随着微电子

曹军,吴卫星(河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454150)

摘要:论述了微电子封装中常用的键合金线、键合铜线和键合银线的局限性,从机械性能、键合性能、可靠性等方面分析了键合银合金线的特征及作为键合引线的优势,并在此基础上阐述了键合银合金线重点研究方向以及在未来集成电路封装中的发展前景。

 

引线键合以其工艺简单、技术成熟、成本低廉、适合多种封装形式的特点,在电子封装中依然是主流技术。随着微电子产业的蓬勃发展,对封装技术的要求越来越高,芯片封装技术朝着高密度、小型化、适应高发热方向发展,对键合引线的要求也越来越高,高密度、高热导率、低弧度、超细直径的键合引线成为了研发重点。键合金线因其耐腐蚀性好、可靠性高,在集成电路封装行业的中高端产品中广泛使用,但是金线造价昂贵,为降低封装成本,市场上又相继推出了各种金线的替代品,其中键合铜线作为金线的可行性替代材料已经开始应用,但由于其硬度较大,键合时容易导致芯片损伤;且在非气密性封装中易发生腐蚀,直接影响键合后器件的可靠性,只能应用于一些中低端产品。键合银线由于其优秀的电热学性能(可降低器件高频噪声、降低大功率LED发热量等)、良好的稳定性及适当的成本因素,开始逐渐应用于微电子封装中,但纯银线具有强度低、易发生电子迁移、金属间化合物生长难以控制,以及较易被腐蚀硫化等弊端,导致纯银线键合可靠性低,使之高可靠性、低弧度等封装领域应用受到限制。通过合金化获得高性能键合银合金线是改善键合银线性能的途径,可有效克服纯银线在电子封装中强度低、电子迁移率高、易腐蚀及集成微电子电路IMC生长不易控制等问题,是键合引线重点研究和发展的方向。

 

1常用键合引线在微电子封装中的局限

 

11键合金线

 

 

金线因其良好的稳定性及较易扩散到基体金属产生一定的连接强度以满足键合连接强度要求,在电子工业中广泛应用。但金线在键合过程中存在纯金强度低且价格昂贵、容易形成塌丝、尾丝过长等问题(如图l、2实测图片所示);加入微合金成分后虽然会增大机械强度,但会增加电阻率和降低其抗蠕变能力而断裂失效,封装成本也过高。另外金的耐热性差,再结晶温度较低,球焊时容易造成球颈部断裂;Au—A1引线键合系统中,由于相互扩散速率差异,在键合界面容易形成引起高电阻或电路开路的柯肯达尔空洞和导致脆性断裂的金属间化合物,导致引线键合失效。

1.2键合铜线

 

 

随着微电子封装行业的快速发展,键合铜线因其优良的力学性能和电学性能且成本较低,越来越多的在分立器件、表面贴装型封装(SOP)等中广泛应用。其中微合金铜线、镀钯铜线等高性能铜线逐步被应用于集成电路中。但是键合铜线容易氧化(如图3所示),在球焊过程中须采用N2+H2混合气体保护,增加了使用成本。此外铜线硬度过高又容易造成基板损伤,形成“弹坑”缺陷(如图4所示)。键合铜线在高温高湿环境下键合界面生成了Cu9A14金属间化合物,在弱酸环境下易腐蚀,进而键合界面形成裂纹(如图5所示),导致引线键合失效,这些都阻碍了铜键合线在高端微电子封装中的应用。

13键合银线

 

 

键合银线有高导电率及易于成球等优点,开始在部分引线封装中应用,但由于导热率高、高温强度低等原因,其键合过程中参数窗口范围较小,且高温条件下球焊点颈部强度低而引起颈部裂纹失效的几率较高(如图6实测图片所示),进而降低生产效率及大功率LED器件的使用寿命;此外,纯银线又较易被腐蚀硫化导致键合的可靠性低(如图7实测图片所示),这些都制约了键合银线的应用。

 

2银合金线的发展及优势

 

21银合金线研究现状

 

银与钯具有很多相似的性质且能够无限互溶形成连续的网熔体,加入钯元素后能够有效提高银基体的耐腐蚀性、力学性能及高温可靠性。Chuang等研究了Ag-4Pd键合合金线热处理过程,得出热处理过程中易于形成孪晶组织的结论;Guo等对Ag-8Au-3Pd键合合金线的无空气焊球(FreeAirBallFAB)形成过程进行研究,得出了低电流、长时间的键合参数易于形成无缺陷FAB的结论:Du等对银合金线和镀钯铜线在湿热环境下的可靠性进行了对比研究,得出银合金线可靠性高于镀钯铜线的结论;Tseng等对Ag-2Pd键合合金线键合界面特性进行研究,得出钯元素可以减缓键合界面金属间化合物生长和扩散速度的结论。上述研究为银合金线在微电子封装中的广泛应用提供了理论支持。

 

22银合金线优势

 

与金线相比,银合金线工艺参数与金线相似,且键合参数窗口较大,键合适应性强。银合金线成本相对较低,是同等线径的金线的20%左右。银合金线在LED封装中,其反光性较好,不吸光,亮度与使用金线封装相比较可提高10%左右。由于基体为银,与镀银支架焊接时,可焊性较好。通过掺杂铈、镧等合金元素,可提高银合金线的抗腐蚀和抗氧化性能,降低IMC的生长和扩散速度,增强了银合金线键合点可靠性。

 

2.2.1银合金线力学性能

 

 

键合引线材料的力学性能是键合质量的关键,较高的强度能使键合线抵抗一定的机械应力,具有稳定的成弧性。合理的伸长率能够获得稳定的尾丝长度,进而确保了FAB形状均匀,获得稳定的第一焊点形貌。表1是20μm键合金线、键合铜线、键合银线、键合银合金线等力学性能对比。从表1中可以看出银合金线具有较高的强度和伸长率,可以满足低弧度、长间距及高密度引线器件封装。

2.2.2银合金线的键合性能

 

 

Gu等研究了银合金线和镀钯铜线键合强度,得出银合金线键合强度高于镀钯铜线,且其FAB硬度低、键合参数较小的结论。在银基体中添加金、钯等元素,金和钯能与银发生包晶反应,降低银的晶界电压,进而减慢银合金线的电化学腐蚀。添加铝、钛等元素能在银表面形成致密的氧化层,使银表面钝化,减少硫化、氧化等腐蚀,提高银合金线的抗腐蚀和抗氧化性能。用0.1mol/L硫化钠水溶液室温下浸泡金线、镀钯铜线、银线和银合金线200h获得抗腐蚀数据如图8所示。从图8中可以看出银合金线的抗腐蚀性能较好,跟金线基本一致。由于银合金线良好的耐腐蚀性能,在用电子火焰(EFO)烧球过程中无需气体保护,球表面平整光滑且球焊点形状较规则(如图9所示),易于获得稳定的第一焊点形貌。但对于银合金线而言,合金成分不合理或合金成分不均匀会导致FAB凝固区间较大,从而产生偏球、高尔夫球等缺陷,由此,优化的合金组份及合金成分的均匀是确保银合金线良好键合性能的关键。

2.2.3银合金线的可靠性Gu等进一步对银合金线进行了高加速温湿度测试(UHAST)、高温储存测(HTST)、温度循环测试(TCT),测试结果如表2所示。UHAST240h时约50%的芯片发现了电气腐蚀问题,但HTS能通过500h,TCT能通过1000个循环。通过增加钯的含量可有效抑制界面腐蚀已被研究者们证实,调整银合金线中微量元素的含量可使其可靠性进一步提高。由于氧气的存在,银线在高温高湿环境中会产生电化学腐蚀,使界面产生裂纹。对于银合金线,由于钯的存在,钯与氧形成PdO富集在表面阻碍银离子扩散,界面没有裂纹。

3结语

1)银合金线具有优良的机械性能、键合性能、抗腐蚀与抗氧化性能及较高的可靠性。

 

2)合金元素可有效抑制银线的电子迁移,减缓IMC的生长和扩散,提高器件的可靠性。

 

3)合金成分不合理或合金成分不均匀会导致FAB凝固区间较大,从而易于产生FAB缺陷,优化合金组份是获得高性能键合银合金线的关键。

 

 
 
转载自:半导体封装工程师之家

 

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