半导体封装材料之键合线

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键合线(Bonding Wire)

微电子键合线有多种纯材料和合金材料。除了圆线外，扁带材料还可用于射频和微波电路等特殊应用中。圆线是迄今为止最常见的，直径小至 5 μm 的细圆线已商业化生产。直径达 500 μm 的大直径圆线用于电力应用。扁带线的宽度范围为 50 μm 至 1200 μm，并且有各种厚度。

微电子键合线

这些线(和条带)使用的主要材料是金(纯金和合金)、铝(纯)、含 1% 硅的铝、含镁的铝以及铜。表 1、2 和 3 给出了这些键合线的典型特性。表1列出了纯铝、金和铜金属的特性。表 2重点介绍了各种键合线的机械性能，而表3 重点介绍了热性能和电性能。其他金属线，例如钯和银，过去的使用量有限，但最近，由于银的高导电性和与金相比成本较低，银的使用量有所增加，约占当今制造的键合线的 9%。

表1，纯铝、金、铜在室温下的特性

表2，键合线的机械性能

表3，键合线材料的热性能和电性能

过去，金是球键合工艺的主要材料，而铝及其合金历来在楔形(超声波)键合工艺中占主导地位。使用的黄金纯度极高 (99.99%)，总杂质通常低于 10 ppm。关于键合线的纯度需要考虑极端温度下的引线纯度。铍是用于稳定焊丝并控制其某些机械性能的关键杂质。用于螺柱凸块(单端球键合)的金线不那么纯净，添加了大量的钯(~1%)，以确保形成具有最少尾部的均匀球(引线后残留在球上的引线) 。含 1% 硅的铝与用于半导体器件金属化的常用合金相匹配，在小直径应用中比纯铝具有更高的强度和刚度。纯铝用于大多数大线应用，而铝和镁用于互连处于低循环疲劳或功率开关循环条件下的场景。

使用 25μm 金线进行楔焊

由于微电子键合线是通过一系列模具(dies)拉制的，因此拉制后的线具有显著的残余应变，并且虽然坚固，但通常很脆(伸长率低)。为了克服这些因素，通常对线材进行应力消除，有时还进行退火，以获得更适合键合工艺的性能。表 2中可以看到这些后拉伸工艺的一些影响。图 1 和 2 显示了制造后的时间(在受控环境中存储)对几种焊线类型的键合线性能的影响。显然，根据线材的回火，存储时间会对线材性能产生显著影响，从而对粘合本身的质量产生显著影响。

使用 25µm 金线进行球焊

目前，铜键合线已取代金键合线成为主要互连材料，以降低成本并提高性能。使用铜线后，IC 上的铜焊盘就不再需要具有阻挡层涂层(镍-金或钛-钨金)来防止金线出现金属间化合物生长问题。铜线还具有高导电性，并且由于其强度，它可以在注塑和/或封装过程中抵抗线清扫形成。由于铜在空气中会迅速氧化，因此球形成过程必须在惰性气氛中完成，需要对键合机进行重大修改。铜的剪切模量(shear modulus)比金更高(48 GPa vs 26 GPa)，并且铜球比金球硬得多(例如，在努氏硬度标度上，铜球为 50，而金球为 35)，因此在粘合过程中有可能损坏精密芯片和基板。某些研究表明，铜球键合会导致缩孔显著增加 。为了缓解铜硬度问题，对键合机操作进行了一些改变，包括增加基板和毛细管热量、减少超声波能量和快速的首次键合触地(以保持球热并因此更软)。

图1(a)

图1(b)

图 1，铝键合线 (Al + 1% Si) 的断裂强度和伸长率与不同焊线温度下存储时间的函数关系：(a) 断裂强度克(力);(b) 伸长率(%)

图2，(a)

图2，(b)

图 2， 金键合线 (99.99 % Au + Be) 的断裂强度和伸长率与不同焊线温度的存储时间的函数关系：(a) 断裂强度，单位为克(力);(b) 伸长率(%)

由于铜氧化物的形成，除非金闪蒸或以其他方式受到保护，否则与铜焊盘的接合需要增加一些超声波能量。同样，将铜球焊接到传统的铝合金焊盘上似乎也是可行的。由于存在铜铝金属间化合物(CuAl2 和 CuAl)，一些研究表明热老化过程中接头电阻迅速增加。大多数研究报告称铜铝系统的可靠性与金铝系统相同。即使采取了前面描述的缓解措施，可键合性可能比可靠性更重要，因为硬铜球可能会在键合过程中将软铝金属化“推到一边”，特别是对于当今的薄 IC 金属化(~0.5 µm)，导致出现粘合力弱或者不粘的情况。同样，随着铜开始在球焊市场占据主导地位，铜的缩孔和对腐蚀(硫、卤素等)的敏感性也可能会带来问题。制造细间距引线键合所需的小球也非常困难。