封裝用抗腐蝕高可靠性銀合金絲

林 良，臧曉丹

（煙臺(tái)一諾電子材料有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

1 綜述

鍵合絲是半導(dǎo)體封裝的關(guān)鍵材料之一，作為芯片與外部電路的主要連接材料進(jìn)行信號(hào)傳輸，起著芯片與外部電路之間的電流傳導(dǎo)作用。分立器件引線(xiàn)鍵合是其封裝過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的鍵合絲主要為金絲和銅絲。金絲的耐腐蝕性強(qiáng)、可靠性高，被廣泛用于電子封裝行業(yè)的中高檔產(chǎn)品。但是金絲造價(jià)昂貴，為降低封裝成本，市場(chǎng)上相繼推出了各種金絲的替代品。其中鍵合銅絲作為金絲的可行性替代材料已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，但由于其硬度較大，鍵合時(shí)容易導(dǎo)致芯片損傷，且在非氣密性封裝中易發(fā)生腐蝕，直接影響了鍵合后器件的可靠性，只能應(yīng)用于一些低端產(chǎn)品。

目前市場(chǎng)上越來(lái)越多的銀絲開(kāi)始替代金絲，銀絲價(jià)格較金絲低，硬度比銅低，銀絲的主要優(yōu)勢(shì)在于：

（1）較好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能；

（2）較好的抗腐蝕和抗氧化性能（與銅比較）；

（3）僅需氮?dú)獗Ｗo(hù)，比較安全（與銅比較）；

（4）硬度較低（與銅比較）；

（5）成本較低，僅為金的1/5~1/6。

但純銀易發(fā)生電子遷移，金屬間化合物（IMC）生長(zhǎng)難以控制，而且純銀絲較易被腐蝕硫化，導(dǎo)致純銀絲鍵合的可靠性低，使純銀絲在一些高端使用領(lǐng)域無(wú)法替代金絲。

2 抗腐蝕高可靠性銀合金絲的制備

目前用于提高金屬抗腐蝕性能的方法通常主要有兩類(lèi)：表面處理法[1]和合金化法。表面處理法是指在金屬表面鍍上一層穩(wěn)定的金屬保護(hù)膜，或者利用相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)將金屬表面鈍化，降低其表面的化學(xué)活性；合金化是指在單質(zhì)金屬中加入某些摻雜元素，使其晶界電壓降低、鈍化而提高其抗腐蝕性。

銀絲的表面處理常見(jiàn)的為在其表面進(jìn)行鍍金，鍍層可以隔絕銀絲與外界環(huán)境的接觸，從而增強(qiáng)其抗腐蝕性。但由于鍍金層與銀基底為兩種不同金屬，二者的熔點(diǎn)和再結(jié)晶溫度有很大不同，在燒球過(guò)程中容易出現(xiàn)偏心、焊點(diǎn)不粘等問(wèn)題，影響銀絲的燒球、成球性質(zhì)。而對(duì)于銀絲的合金化，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，除了與其他貴金屬合金外，沒(méi)有更好的元素可以有效防止銀腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。貴金屬的最低含量要求為Pd 40%，Au 70%，Pt 60%。結(jié)合鍵合絲焊接等其他方面的要求，國(guó)外曾經(jīng)采用的是Ag 30%、Au 70%的金銀合金鍵合絲，但此鍵合絲成本降低有限，基本沒(méi)有推廣應(yīng)用。

抗腐蝕高可靠性鍵合銀合金絲，是通過(guò)表面鈍化和固溶合金兩種方式，提高了銀合金絲的抗腐蝕性能和可靠性，其創(chuàng)新性可從成分和工藝兩方面進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 成分方面

抗腐蝕高可靠性銀合金絲在高純銀材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)多元合金摻雜，實(shí)現(xiàn)了銀絲的抗腐蝕、高可靠[2]，具體如下：

（1）加入含量分別為1%~10%的Au、Pt、Pd等貴金屬元素，與Ag形成連續(xù)固熔體，降低Ag的晶界電壓，減慢了銀絲的電化學(xué)腐蝕，增強(qiáng)了抗腐蝕性；

（2）10-6到10-5數(shù)量級(jí)的Rh、Cu、In、Ce等稀土元素的摻雜，細(xì)化了銀絲晶粒，增強(qiáng)了機(jī)械性能，提高了銀絲的高溫?cái)嗔褟?qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)可延緩與鋁焊接時(shí)Ag-Al金屬間化合物的擴(kuò)散速度，提高了其可靠性；

（3）加入10-5數(shù)量級(jí)的Al、Ti，通過(guò)合金析出過(guò)程在銀絲表面形成致密的氧化層，鈍化銀絲表面，減少硫化、氧化等腐蝕；

（4）加入10-5數(shù)量級(jí)的Si、Zn、Sn、Be，降低銀絲含氧量，提高合金的潤(rùn)濕性和鑄造、拉絲性能。

抗腐蝕高可靠性鍵合銀合金絲通過(guò)貴金屬元素與稀土等其他元素的微量摻雜，實(shí)現(xiàn)了銀絲抗腐蝕、高可靠性的良好性能，且與傳統(tǒng)的金銀合金絲相比，貴金屬含量低，大大降低了銀絲成本。

2.2 工藝方面

（1）抗腐蝕高可靠性銀合金絲的金屬合金采用的為真空二次中頻合金熔煉技術(shù)，中頻合金[3]是用交流電流流向被卷曲成環(huán)狀的導(dǎo)體產(chǎn)生磁束，將金屬放置其中，磁束就會(huì)貫通金屬，在磁束自繳的方向產(chǎn)生渦電流，感應(yīng)電流在渦電流的影響下發(fā)熱使金屬熔化。中頻加熱合金與普通電阻加熱方式相比，加熱效率高、速度快，可控性和溫度均勻性好，保證了合金的均勻性，二次熔煉進(jìn)一步提高了合金成分的均勻性，保證了抗腐蝕成分的均勻分布。

圖1 中頻熔煉爐和中頻加熱示意圖

（2）抗腐蝕高可靠性銀合金絲采用定向連續(xù)拉鑄工藝[4]，在連續(xù)熔鑄爐中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著與熱流相反的方向，按照要求的結(jié)晶取向凝固。采用定向連續(xù)拉鑄工藝，可獲得生長(zhǎng)方向與主應(yīng)力方向一致的單向生長(zhǎng)的金屬棒，所有晶粒（包括枝晶）取向接近一個(gè)方向，消除了橫向晶界，降低橫向晶界和位錯(cuò)，減少了原子在晶界附近的擴(kuò)散和流動(dòng)，大大提高了拉絲等加工性能，減少了加工硬化，增強(qiáng)了持久性和蠕變抗力，提高了銀合金絲的可靠性[5~7]。

幾種常用鍵合絲成分及制造工藝比較如表1所示。從表中可以看出，鍍鈀銅絲對(duì)設(shè)備要求較高，需增加鍍層設(shè)備和保護(hù)氣裝置，且成品率低，綜合控制風(fēng)險(xiǎn)大，普通金絲和金銀合金絲成本高?？垢g高可靠性銀合金絲的制造性能可以接近或達(dá)到金絲標(biāo)準(zhǔn)，能夠應(yīng)用于各種集成電路如PBGA、CSP、BGA等高級(jí)封裝中，以部分或全部取代金絲，降低封裝成本。因此抗腐蝕高可靠性銀合金絲是較好的選擇。

圖2 定向連續(xù)熔鑄爐定向凝固示意圖

表1 幾種常用鍵合絲成分及制造工藝比較

3 抗腐蝕高可靠性銀合金絲的性能

3.1 機(jī)械性能

直徑為30 μm的幾種鍵合絲的機(jī)械性能比較如圖3所示。從圖中可以看出，抗腐蝕高可靠性銀合金絲的斷裂負(fù)荷（B/L）和延伸率（E/L）在五種鍵合絲中只略低于鍍鈀銅絲，分別大于16.8 gf和13.8%，而應(yīng)用最多的金絲在五種鍵合絲中機(jī)械性能最低，斷裂負(fù)荷和延伸率分別為10 gf和5.5%，其次為普通銀絲和金銀合金絲，斷裂負(fù)荷和延伸率分別為13 gf、11.5 gf和13.7%、8.5%。從圖4可知，金屬的斷裂力與延伸率為此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，在提高鍵合絲延伸率的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致斷裂力的下降[8]。同時(shí)需要高斷裂力和延伸率的銀絲，需通過(guò)合金摻雜量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，要根據(jù)鍵合要求綜合考慮調(diào)整鍵合絲的斷裂力和延伸率。

圖3 幾種鍵合絲的機(jī)械性能

圖4 金屬斷裂力與延伸率的關(guān)系

3.2 電學(xué)性能

圖5為幾種常見(jiàn)鍵合絲的電阻率對(duì)比圖。從圖中可以看出，抗腐蝕高可靠性銀合金絲的電阻率位于五種常用鍵合絲的中間值。普通銀絲和普通金絲由于合金含量低，電阻率分別為1.67 μΩ·cm和2.41 μΩ·cm，金銀合金絲的合金含量最高，電阻率為9.92 μΩ·cm。由圖6可知，合金絲的電阻率隨著合金量的增大而增大，原因?yàn)殡娮杪实拇笮∪Q于金屬內(nèi)電子定向移動(dòng)所需的能量大小，也就是說(shuō)電子所受的束縛力的大小。純金屬的晶體排布比較整齊，畸變和缺陷少，合金中由于含有兩種及以上元素，晶體的整齊程度比較低，容易產(chǎn)生較多的畸變和缺陷。而晶格畸變和缺陷會(huì)對(duì)電子的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生散射。純金屬中電子散射少，可以較為自由地移動(dòng)，電阻率低；合金中大量的缺陷影響了電子在金屬中的運(yùn)動(dòng)，電阻率高。而且隨著合金量增大，金屬間化合物含量增多，使銀合金絲的硬度增大，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖5 幾種常見(jiàn)鍵合絲的電阻率

3.3 鍵合性能

本文中對(duì)比的五種鍵合絲使用的均為球形-楔形焊。第一焊點(diǎn)為球形焊，圖7為抗腐蝕高可靠性銀合金絲和鍍鈀銅絲的FAB真球掃描電鏡照片?？垢g高可靠性銀合金絲燒球時(shí)需以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，從圖中可以看出其球形較好，成球表面平整光滑。鍍鈀銅絲燒球時(shí)以95:5的氮?dú)浠旌蠚庾鳛楸Ｗo(hù)氣，由于鍍層與鍵合絲基體為兩種不同金屬，鍍層雖在一定程度上隔絕了鍵合絲基體與外界環(huán)境的接觸，增強(qiáng)了其抗腐蝕性，但兩種金屬在燒球過(guò)程中的再結(jié)晶溫度不同，容易造成球型不好。圖8為抗腐蝕高可靠性銀合金絲第一焊點(diǎn)和第二焊點(diǎn)的掃描電鏡照片。

圖6 銀合金絲合金含量與抗拉強(qiáng)度、電阻率的關(guān)系

圖7 抗腐蝕高可靠性銀合金絲和鍍鈀銅絲的成球照片

4 抗腐蝕性

銀在空氣中會(huì)與氧緩慢反應(yīng)生成氧化銀（AgO和Ag2O），是對(duì)光敏感的灰白色固體，導(dǎo)電，100 ℃時(shí)分解為銀和氧氣，對(duì)鍵合基本沒(méi)有影響。但銀在有氧的環(huán)境下易硫化（Ag + H2S + O2= Ag2S + H2O），硫化銀呈灰黑色，導(dǎo)電性較差，會(huì)影響焊接性能。故銀絲鍵合時(shí)建議加氮?dú)獗Ｗo(hù)隔離氧氣。除此以外，銀很穩(wěn)定，一般不會(huì)被其他離子腐蝕。

圖8 抗腐蝕高可靠性銀合金絲的第一及第二焊點(diǎn)照片

抗腐蝕高可靠性銀合金絲通過(guò)摻雜微量合金元素，降低了晶界電壓，使銀發(fā)生鈍化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)銀基體的電化學(xué)保護(hù)，消除了引起銀電化學(xué)腐蝕的原電池反應(yīng)，提高了銀基鍵合絲的抗腐蝕性。圖9為五種鍵合絲用0.1 mol·L-1的硫化鈉水溶液中室溫下浸泡200 h的抗腐蝕數(shù)據(jù)對(duì)比圖，從圖中可以看出，五種鍵合絲的抗腐蝕性順序?yàn)椋浩胀ㄣy絲＜鍍鈀銅絲＜抗腐蝕高可靠性銀合金絲/金銀合金絲＜金絲，抗腐蝕高可靠性銀合金絲的最高腐蝕速率不超過(guò)0.08 mg·cm-2。

圖9 五種鍵合絲的抗腐蝕性能比較

5 可靠性

抗腐蝕高可靠性銀合金絲與純金屬鍵合絲及鍍層鍵合絲相比，具有更好的物理和化學(xué)性能，可靠性高，原因?yàn)榧尤氲暮辖鹪刈鳛殡s質(zhì)原子，與基體原子相互摻雜無(wú)序排列，代替了銀原子原本的有序排列，從而降低了銀鋁間IMC的生長(zhǎng)和擴(kuò)散速度，從而提高了銀基鍵合絲的可靠性。

5.1 挑斷力測(cè)試

圖10為25.4 μm的五種鍵合絲的挑斷力測(cè)試結(jié)果，測(cè)試條件為高溫200 ℃儲(chǔ)存0~300 h，挑斷速率為100 μm·s-1，檢測(cè)數(shù)量50個(gè)點(diǎn)。在鍵合之初，鍵合絲與芯片、基板間的IMC生長(zhǎng)較薄，抗拉強(qiáng)度低。在100 h以?xún)?nèi)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，IMC不斷生長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)。超過(guò)100 h以后，IMC生長(zhǎng)過(guò)厚，導(dǎo)致鍵合絲與芯片、基板間的結(jié)合部位變脆，抗拉強(qiáng)度下降。金絲的挑斷力測(cè)試最初在五種鍵合絲中最低，但其隨時(shí)間的延長(zhǎng)變化率很低，較為穩(wěn)定。銀絲的硬度較金絲稍高，因此挑斷力略高于金絲，但其穩(wěn)定性差，可靠性不高。金銀合金絲和抗腐蝕高可靠性銀合金絲的挑斷力以及隨時(shí)間的變化率相近。鍍鈀銅絲的硬度最高，因此挑斷力最高，但其也隨時(shí)間的變化率較大。圖11為抗腐蝕高可靠性銀合金絲的挑斷力測(cè)試前后的顯微照片。

圖10 五種鍵合絲的挑斷力測(cè)試結(jié)果

圖11 抗腐蝕高可靠性銀合金絲的挑斷力測(cè)試前后顯微照片

5.2 剪切力測(cè)試

圖12為25.4 μm的五種鍵合絲的剪切力測(cè)試結(jié)果，測(cè)試條件為高溫200 ℃儲(chǔ)存0~300 h，剪切速率為100 μm·s-1，檢測(cè)數(shù)量50個(gè)點(diǎn)。普通金絲的硬度在五種鍵合絲中最低，與芯片的結(jié)合力好，剪切力最高，其次為抗腐蝕高可靠性銀合金絲和普通銀絲，銀絲隨時(shí)間變化率較大。鍍鈀銅絲的硬度高，在鍵合過(guò)程中容易造成芯片損傷，形成鋁擠出和硅彈坑，與芯片結(jié)合差，剪切力最低。

圖13為抗腐蝕高可靠性銀合金絲的剪切力測(cè)試前后的顯微照片。

圖12 五種鍵合絲的剪切力測(cè)試結(jié)果

圖13 抗腐蝕高可靠性銀合金絲的剪切力測(cè)試前后顯微照片

6 結(jié)論

抗腐蝕高可靠性銀合金絲，通過(guò)表面鈍化和固溶合金兩種方式，利用中頻合金熔煉和定向連續(xù)拉鑄技術(shù)，提高了銀合金絲的機(jī)械性能、電學(xué)性能、鍵合性能、抗腐蝕性和可靠性，保證了銀合金絲產(chǎn)品的穩(wěn)定性，解決了普通銀絲在使用過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題，降低了傳統(tǒng)的金線(xiàn)鍵合的成本，且可靠性比鍍鈀銅線(xiàn)高，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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