半導(dǎo)體封裝材料之鍵合線

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鍵合線(Bonding Wire)

微電子鍵合線有多種純材料和合金材料。除了圓線外，扁帶材料還可用于射頻和微波電路等特殊應(yīng)用中。圓線是迄今為止最常見的，直徑小至 5 μm 的細(xì)圓線已商業(yè)化生產(chǎn)。直徑達(dá) 500 μm 的大直徑圓線用于電力應(yīng)用。扁帶線的寬度范圍為 50 μm 至 1200 μm，并且有各種厚度。

微電子鍵合線

這些線(和條帶)使用的主要材料是金(純金和合金)、鋁(純)、含 1% 硅的鋁、含鎂的鋁以及銅。表 1、2 和 3 給出了這些鍵合線的典型特性。表1列出了純鋁、金和銅金屬的特性。表 2重點(diǎn)介紹了各種鍵合線的機(jī)械性能，而表3 重點(diǎn)介紹了熱性能和電性能。其他金屬線，例如鈀和銀，過去的使用量有限，但最近，由于銀的高導(dǎo)電性和與金相比成本較低，銀的使用量有所增加，約占當(dāng)今制造的鍵合線的 9%。

表1，純鋁、金、銅在室溫下的特性

表2，鍵合線的機(jī)械性能

表3，鍵合線材料的熱性能和電性能

過去，金是球鍵合工藝的主要材料，而鋁及其合金歷來在楔形(超聲波)鍵合工藝中占主導(dǎo)地位。使用的黃金純度極高 (99.99%)，總雜質(zhì)通常低于 10 ppm。關(guān)于鍵合線的純度需要考慮極端溫度下的引線純度。鈹是用于穩(wěn)定焊絲并控制其某些機(jī)械性能的關(guān)鍵雜質(zhì)。用于螺柱凸塊(單端球鍵合)的金線不那么純凈，添加了大量的鈀(~1%)，以確保形成具有最少尾部的均勻球(引線后殘留在球上的引線) 。含 1% 硅的鋁與用于半導(dǎo)體器件金屬化的常用合金相匹配，在小直徑應(yīng)用中比純鋁具有更高的強(qiáng)度和剛度。純鋁用于大多數(shù)大線應(yīng)用，而鋁和鎂用于互連處于低循環(huán)疲勞或功率開關(guān)循環(huán)條件下的場(chǎng)景。

使用 25μm 金線進(jìn)行楔焊

由于微電子鍵合線是通過一系列模具(dies)拉制的，因此拉制后的線具有顯著的殘余應(yīng)變，并且雖然堅(jiān)固，但通常很脆(伸長(zhǎng)率低)。為了克服這些因素，通常對(duì)線材進(jìn)行應(yīng)力消除，有時(shí)還進(jìn)行退火，以獲得更適合鍵合工藝的性能。表 2中可以看到這些后拉伸工藝的一些影響。圖 1 和 2 顯示了制造后的時(shí)間(在受控環(huán)境中存儲(chǔ))對(duì)幾種焊線類型的鍵合線性能的影響。顯然，根據(jù)線材的回火，存儲(chǔ)時(shí)間會(huì)對(duì)線材性能產(chǎn)生顯著影響，從而對(duì)粘合本身的質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。

使用 25μm 金線進(jìn)行球焊

目前，銅鍵合線已取代金鍵合線成為主要互連材料，以降低成本并提高性能。使用銅線后，IC 上的銅焊盤就不再需要具有阻擋層涂層(鎳-金或鈦-鎢金)來防止金線出現(xiàn)金屬間化合物生長(zhǎng)問題。銅線還具有高導(dǎo)電性，并且由于其強(qiáng)度，它可以在注塑和/或封裝過程中抵抗線清掃形成。由于銅在空氣中會(huì)迅速氧化，因此球形成過程必須在惰性氣氛中完成，需要對(duì)鍵合機(jī)進(jìn)行重大修改。銅的剪切模量(shear modulus)比金更高(48 GPa vs 26 GPa)，并且銅球比金球硬得多(例如，在努氏硬度標(biāo)度上，銅球?yàn)?50，而金球?yàn)?35)，因此在粘合過程中有可能損壞精密芯片和基板。某些研究表明，銅球鍵合會(huì)導(dǎo)致縮孔顯著增加 。為了緩解銅硬度問題，對(duì)鍵合機(jī)操作進(jìn)行了一些改變，包括增加基板和毛細(xì)管熱量、減少超聲波能量和快速的首次鍵合觸地(以保持球熱并因此更軟)。

圖1(a)

圖1(b)

圖 1，鋁鍵合線 (Al + 1% Si) 的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與不同焊線溫度下存儲(chǔ)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系：(a) 斷裂強(qiáng)度克(力);(b) 伸長(zhǎng)率(%)

圖2，(a)

圖2，(b)

圖 2， 金鍵合線 (99.99 % Au + Be) 的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與不同焊線溫度的存儲(chǔ)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系：(a) 斷裂強(qiáng)度，單位為克(力);(b) 伸長(zhǎng)率(%)

由于銅氧化物的形成，除非金閃蒸或以其他方式受到保護(hù)，否則與銅焊盤的接合需要增加一些超聲波能量。同樣，將銅球焊接到傳統(tǒng)的鋁合金焊盤上似乎也是可行的。由于存在銅鋁金屬間化合物(CuAl2 和 CuAl)，一些研究表明熱老化過程中接頭電阻迅速增加。大多數(shù)研究報(bào)告稱銅鋁系統(tǒng)的可靠性與金鋁系統(tǒng)相同。即使采取了前面描述的緩解措施，可鍵合性可能比可靠性更重要，因?yàn)橛层~球可能會(huì)在鍵合過程中將軟鋁金屬化“推到一邊”，特別是對(duì)于當(dāng)今的薄 IC 金屬化(~0.5 μm)，導(dǎo)致出現(xiàn)粘合力弱或者不粘的情況。同樣，隨著銅開始在球焊市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，銅的縮孔和對(duì)腐蝕(硫、鹵素等)的敏感性也可能會(huì)帶來問題。制造細(xì)間距引線鍵合所需的小球也非常困難。