新一代的金線替代品-AgCoat? Prime鍍金銀線

摘要：

半導(dǎo)體封裝技術(shù)總體上可以分為兩大類: (1) Wire Bonding 引線鍵合工藝，(2) Non-Wire Bonding 非鍵合工藝，如FC、Clip bond等封裝技術(shù)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，使用引線鍵合這種傳統(tǒng)封裝工藝的器件仍占據(jù)近70%的出貨量。雖然近些年來以WLCSP為代表的先進封裝技術(shù)發(fā)展迅速，但傳統(tǒng)的封裝工藝不會被完全淘汰，兩者會長期共存發(fā)展。

談到半導(dǎo)體封裝就不得不提到其重要的封裝材料—鍵合線。目前市場上的鍵合線根據(jù)材質(zhì)分為幾大類：金、銀、銅、鍍鈀銅、鋁等。這幾類線材已得到了廣泛應(yīng)用，這里就不過多贅述，我們就談?wù)?a href="http://ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">最新一代的鍵合線產(chǎn)品—鍍金銀線。

1鍵合線市場信息：

由于黃金具有出色的抗氧化、抗腐蝕能力，及良好的電特性等優(yōu)點, 被廣泛的用于半導(dǎo)體封裝中，早期的封裝工藝使用的鍵合線只有金線。但隨著黃金價格的不斷攀升，在單顆器件中，金線的成本僅次于基板位居第二位（芯片除外），成為封裝廠降低成本的主要目標(biāo)。此時，銅線、鍍鈀銅線、銀合金線等低成本的材料先后被推向市場，在各自的應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了一定市場份額。

下圖為不同鍵合線的市場用量分析和預(yù)測：

2為何是鍍金銀線？

目前金線的主要應(yīng)用領(lǐng)域為存儲器、高可靠性汽車電子、高端LED、攝像頭模組、軍工、航空等，這些領(lǐng)域里的產(chǎn)品由于其產(chǎn)品特點決定了不適合使用銅線、銀合金線等低成本線材。

為何不能用銅線？由于銅線的硬度比金線高了約25%左右，在一些Pad鋁層較薄的產(chǎn)品中，如存儲器中Nand Flash有的薄至0.5um，如果打銅線很容易出現(xiàn)Pad Peeling、Crack等問題。相反，有部分產(chǎn)品Pad 鋁層較厚，甚至達到4um以上，如果Pad焊點開窗較小，鋁層飛濺將是銅線鍵合的主要挑戰(zhàn)。

圖1.銅與金對比，數(shù)據(jù)來源：賀利氏電子

為何不能用銀合金線？由于銀離子相對比較活躍，尤其在一些高濕的環(huán)境中，會產(chǎn)生銀離子遷移的情況。同時，在有電流通過的情況下，銀離子遷移速率會提高。銀離子遷移會導(dǎo)致兩個Pad之間短路，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效，尤其是在一些小間距產(chǎn)品上的挑戰(zhàn)很大。此外，銀容易與硫反應(yīng)生成硫化銀，從而產(chǎn)生可靠性問題。

通常我們在純銀里會參雜一些微量元素以改善上述性能，金（Au）、鈀（Pd）常常被選為主要參雜元素。鈀會形成氧化鈀層從而抑制銀離子析出的速度，金會減少自由的銀離子的數(shù)量從而減少銀離子遷移。

圖2. PdO 層抑制銀離子析出，

圖片來源: Kim Vu, Silver Migration – The Mechanism and Effects on Thick-Film Conductors, Material Science Engineering 234 – Spring 2003.

以下是不同純度的銀合金線的銀遷移速率的對比。雖然合金會延緩銀離子遷移速率，但在一些高濕度的可靠性測試中，銀合金線表現(xiàn)出的可靠性還是比金線要差。所以，銀合金線通常會在一些低可靠性要求的產(chǎn)品中才有應(yīng)用。

圖3.銀離子遷移實驗，數(shù)據(jù)來源：賀利氏電子

針對以上銅線、銀合金線產(chǎn)品的不足之處，鍍金銀線被認為是目前這部分金線產(chǎn)品理想的替代品。它具體有哪些優(yōu)勢呢，下面會詳細介紹一下。

3 鍍金銀線的特點：

在介紹產(chǎn)品特性前，先了解一下它的加工過程。顧名思義，鍍金銀線是在銀外面電鍍一層金，以下是鍍金銀線簡單的生產(chǎn)工藝流程圖：

圖4. 鍍金銀線工藝流程圖

核心材料為Ag加入少量Pd，Pd的添加可有效延緩IMC的生長，從而提高了高溫存儲的可靠性。

圖5. 反應(yīng)機理示意圖

為何選擇Au作為鍍層材料？眾所周知，金具有非常出色的抗氧化、抗腐蝕的特性，并與很多材料都有著良好的結(jié)合效果。因此，電鍍一層金，對里面的銀起到了很好的保護作用，從而提升了銀線的抗硫化和抗腐蝕能力，也改善了銀離子遷移的問題，提高了可靠性。

但是，由于Au與Ag 的材料屬性決定了它們之間易融合從而相互擴散形成固容體，影響Au的表面覆蓋率。所以，提高Au在Ag表面的覆蓋率對于此類鍍金銀線的可靠性尤為重要。為了解決這個問題，通常會在Au與Ag之間加入阻礙層以延緩Au擴散到Ag內(nèi)部。

圖6. Au &Ag 材料屬性對比，數(shù)據(jù)來源：賀利氏電子

FAB抗氯離子腐蝕對比實驗結(jié)果表明，與銀合金線相比，鍍金銀線有著非常出色的抗氯離子腐蝕的性能，這是因為FAB表面Au包覆性非常好。為何會有如此好的包覆性？這也是得益于阻礙層起到了作用，減少了Au向融化后的銀球里擴散。另外，電鍍時特殊的添加物會使Au 具有良好的表面張力及潤濕性，在FAB 形成時會更多的Au流下來覆蓋FAB。

圖7. FAB抗氯腐蝕實驗

圖8. FAB表面 Au 覆蓋

在FAB形成時，除金線外其它材料都需要惰性氣體進行保護，從而對設(shè)備提出了更高的要求。但實驗結(jié)果顯示，鍍金銀線加了保護氣后FAB反而會變差，這是由于氣體破壞了Au Flow的流動，使Au 分布變差，所以，這款鍍金銀線的鍵合工藝無需保護氣體，真正實現(xiàn)了Gas Free，降低了對設(shè)備的要求。

圖9. FAB有/無保護氣體對比

第一焊點與金線進行對比，球形很圓，特別適合小焊盤產(chǎn)品的使用；但由于鍍金銀線硬度會略高于金線，所以，在鋁飛濺控制方面會略遜色于金線。

圖10. 第一焊點球形對比

第二焊點與金線及其它銀合金線進行對比，拉力值無顯著差異；第二焊點參數(shù)窗口與金線基本重合，明顯大于銀合金線。

圖11. 第二焊點拉力值對比

圖12. 第二焊點參數(shù)窗口對比

可靠性測試，鍍金銀線在bHAST 196h，高低溫循環(huán)2000次后，第一焊點切片結(jié)果顯示Au層的覆蓋沒有被破壞，仍能起到很好的保護作用，另外，在高溫存儲3000小時后沒有發(fā)現(xiàn)明顯的柯肯達爾空洞現(xiàn)象。

圖13. EDS-Mapping圖片

圖14. 高溫存儲后切片照片

圖15. 量產(chǎn)中的產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)

以下是鍍金銀線與金線、銀合金及銅線的對比。這里匯總了一些關(guān)鍵的性能指標(biāo)，包括導(dǎo)電阻率與4N金線相當(dāng)，F(xiàn)AB硬度遠低于銅線，打開真空包裝后的使用壽命是60天等。

責(zé)任編輯：彭菁