曹軍，吳衛星(河南(nán)理(lǐ)工(gōng)大(dà)學機(jī)械與動力工(gōng)程學院，河南(nán)焦作(zuò)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(cóng)機(jī)械性能、鍵合性能、可(kě)靠性等方面分(fēn)析了鍵合銀合金線的特征及作(zuò)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以及在未來(lái)集成電路(lù)封裝中的發展前景。

引線鍵合以其工(gōng)藝簡單、技術(shù)成熟、成本低廉、适合多種封裝形式的特點，在電子封裝中依然是主流技術(shù)。随着微電子産業的蓬勃發展，對封裝技術(shù)的要求越來(lái)越高，芯片封裝技術(shù)朝着高密度、小型化、适應高發熱(rè)方向發展，對鍵合引線的要求也越來(lái)越高，高密度、高熱(rè)導率、低弧度、超細直徑的鍵合引線成爲了研發重點。鍵合金線因其耐腐蝕性好、可(kě)靠性高，在集成電路(lù)封裝行業的中高端産品中廣泛使用，但(dàn)是金線造價昂貴，爲降低封裝成本，市場上又相(xiàng)繼推出了各種金線的替代品，其中鍵合銅線作(zuò)爲金線的可(kě)行性替代材料已經開始應用，但(dàn)由于其硬度較大(dà)，鍵合時容易導緻芯片損傷；且在非氣密性封裝中易發生(shēng)腐蝕，直接影(yǐng)響鍵合後器件(jiàn)的可(kě)靠性，隻能應用于一些中低端産品。鍵合銀線由于其優秀的電熱(rè)學性能(可(kě)降低器件(jiàn)高頻噪聲、降低大(dà)功率LED發熱(rè)量等)、良好的穩定性及适當的成本因素，開始逐漸應用于微電子封裝中，但(dàn)純銀線具有強度低、易發生(shēng)電子遷移、金屬間化合物生(shēng)長難以控制，以及較易被腐蝕硫化等弊端，導緻純銀線鍵合可(kě)靠性低，使之高可(kě)靠性、低弧度等封裝領域應用受到限制。通過合金化獲得(de)高性能鍵合銀合金線是改善鍵合銀線性能的途徑，可(kě)有效克服純銀線在電子封裝中強度低、電子遷移率高、易腐蝕及集成微電子電路(lù)IMC生(shēng)長不易控制等問(wèn)題，是鍵合引線重點研究和發展的方向。

1常用鍵合引線在微電子封裝中的局限

1．1鍵合金線

金線因其良好的穩定性及較易擴散到基體(tǐ)金屬産生(shēng)一定的連接強度以滿足鍵合連接強度要求，在電子工(gōng)業中廣泛應用。但(dàn)金線在鍵合過程中存在純金強度低且價格昂貴、容易形成塌絲、尾絲過長等問(wèn)題(如(rú)圖l、2實測圖片所示)；加入微合金成分(fēn)後雖然會增大(dà)機(jī)械強度，但(dàn)會增加電阻率和降低其抗蠕變能力而斷裂失效，封裝成本也過高。另外金的耐熱(rè)性差，再結晶溫度較低，球焊時容易造成球頸部斷裂；Au—A1引線鍵合系統中，由于相(xiàng)互擴散速率差異，在鍵合界面容易形成引起高電阻或電路(lù)開路(lù)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

随着微電子封裝行業的快(kuài)速發展，鍵合銅線因其優良的力學性能和電學性能且成本較低，越來(lái)越多的在分(fēn)立器件(jiàn)、表面貼裝型封裝(SOP)等中廣泛應用。其中微合金銅線、鍍钯銅線等高性能銅線逐步被應用于集成電路(lù)中。但(dàn)是鍵合銅線容易氧化(如(rú)圖3所示)，在球焊過程中須采用N2+H2混合氣體(tǐ)保護，增加了使用成本。此外銅線硬度過高又容易造成基闆損傷，形成“彈坑”缺陷(如(rú)圖4所示)。鍵合銅線在高溫高濕環境下鍵合界面生(shēng)成了Cu9A14金屬間化合物，在弱酸環境下易腐蝕，進而鍵合界面形成裂紋(如(rú)圖5所示)，導緻引線鍵合失效，這些都(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球等優點，開始在部分(fēn)引線封裝中應用，但(dàn)由于導熱(rè)率高、高溫強度低等原因，其鍵合過程中參數窗(chuāng)口範圍較小，且高溫條件(jiàn)下球焊點頸部強度低而引起頸部裂紋失效的幾率較高(如(rú)圖6實測圖片所示)，進而降低生(shēng)産效率及大(dà)功率LED器件(jiàn)的使用壽命；此外，純銀線又較易被腐蝕硫化導緻鍵合的可(kě)靠性低(如(rú)圖7實測圖片所示)，這些都(dōu)制約了鍵合銀線的應用。

2銀合金線的發展及優勢

2．1銀合金線研究現狀

銀與钯具有很多相(xiàng)似的性質且能夠無限互溶形成連續的網熔體(tǐ)，加入钯元素後能夠有效提高銀基體(tǐ)的耐腐蝕性、力學性能及高溫可(kě)靠性。Chuang等研究了Ag-4Pd鍵合合金線熱(rè)處理(lǐ)過程，得(de)出熱(rè)處理(lǐ)過程中易于形成孿晶組織的結論；Guo等對Ag-8Au-3Pd鍵合合金線的無空氣焊球(FreeAirBall，FAB)形成過程進行研究，得(de)出了低電流、長時間的鍵合參數易于形成無缺陷FAB的結論：Du等對銀合金線和鍍钯銅線在濕熱(rè)環境下的可(kě)靠性進行了對比研究，得(de)出銀合金線可(kě)靠性高于鍍钯銅線的結論；Tseng等對Ag-2Pd鍵合合金線鍵合界面特性進行研究，得(de)出钯元素可(kě)以減緩鍵合界面金屬間化合物生(shēng)長和擴散速度的結論。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(lǐ)論支持。

2．2銀合金線優勢

與金線相(xiàng)比，銀合金線工(gōng)藝參數與金線相(xiàng)似，且鍵合參數窗(chuāng)口較大(dà)，鍵合适應性強。銀合金線成本相(xiàng)對較低，是同等線徑的金線的20％左右。銀合金線在LED封裝中，其反光(guāng)性較好，不吸光(guāng)，亮度與使用金線封裝相(xiàng)比較可(kě)提高10％左右。由于基體(tǐ)爲銀，與鍍銀支架焊接時，可(kě)焊性較好。通過摻雜铈、镧等合金元素，可(kě)提高銀合金線的抗腐蝕和抗氧化性能，降低IMC的生(shēng)長和擴散速度，增強了銀合金線鍵合點可(kě)靠性。

2.2.1銀合金線力學性能

鍵合引線材料的力學性能是鍵合質量的關鍵，較高的強度能使鍵合線抵抗一定的機(jī)械應力，具有穩定的成弧性。合理(lǐ)的伸長率能夠獲得(de)穩定的尾絲長度，進而确保了FAB形狀均勻，獲得(de)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性能對比。從(cóng)表1中可(kě)以看(kàn)出銀合金線具有較高的強度和伸長率，可(kě)以滿足低弧度、長間距及高密度引線器件(jiàn)封裝。

2.2.2銀合金線的鍵合性能

Gu等研究了銀合金線和鍍钯銅線鍵合強度，得(de)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(tǐ)中添加金、钯等元素，金和钯能與銀發生(shēng)包晶反應，降低銀的晶界電壓，進而減慢(màn)銀合金線的電化學腐蝕。添加鋁、钛等元素能在銀表面形成緻密的氧化層，使銀表面鈍化，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。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(de)抗腐蝕數據如(rú)圖8所示。從(cóng)圖8中可(kě)以看(kàn)出銀合金線的抗腐蝕性能較好，跟金線基本一緻。由于銀合金線良好的耐腐蝕性能，在用電子火(huǒ)焰(EFO)燒球過程中無需氣體(tǐ)保護，球表面平整光(guāng)滑且球焊點形狀較規則(如(rú)圖9所示)，易于獲得(de)穩定的第一焊點形貌。但(dàn)對于銀合金線而言，合金成分(fēn)不合理(lǐ)或合金成分(fēn)不均勻會導緻FAB凝固區間較大(dà)，從(cóng)而産生(shēng)偏球、高爾夫球等缺陷，由此，優化的合金組份及合金成分(fēn)的均勻是确保銀合金線良好鍵合性能的關鍵。

2.2.3銀合金線的可(kě)靠性Gu等進一步對銀合金線進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(rú)表2所示。UHAST240h時約50％的芯片發現了電氣腐蝕問(wèn)題，但(dàn)HTS能通過500h，TCT能通過1000個循環。通過增加钯的含量可(kě)有效抑制界面腐蝕已被研究者們證實，調整銀合金線中微量元素的含量可(kě)使其可(kě)靠性進一步提高。由于氧氣的存在，銀線在高溫高濕環境中會産生(shēng)電化學腐蝕，使界面産生(shēng)裂紋。對于銀合金線，由于钯的存在，钯與氧形成PdO富集在表面阻礙銀離(lí)子擴散，界面沒有裂紋。

3結語

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

2)合金元素可(kě)有效抑制銀線的電子遷移，減緩IMC的生(shēng)長和擴散，提高器件(jiàn)的可(kě)靠性。

3)合金成分(fēn)不合理(lǐ)或合金成分(fēn)不均勻會導緻FAB凝固區間較大(dà)，從(cóng)而易于産生(shēng)FAB缺陷，優化合金組份是獲得(de)高性能鍵合銀合金線的關鍵。