新一代的金線(xiàn)替代品-AgCoat Prime鍍金銀線(xiàn)

摘要：

　　半導體封裝技術(shù)總體上可以分為兩大類(lèi): (1) Wire Bonding 引線(xiàn)鍵合工藝，(2) Non-Wire Bonding 非鍵合工藝，如FC、Clip bond等封裝技術(shù)。據相關(guān)數據統計，使用引線(xiàn)鍵合這種傳統封裝工藝的器件仍占據近70%的出貨量。雖然近些年來(lái)以WLCSP為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展迅速，但傳統的封裝工藝不會(huì )被完全淘汰，兩者會(huì )長(cháng)期共存發(fā)展。

　　談到半導體封裝就不得不提到其重要的封裝材料—鍵合線(xiàn)。目前市場(chǎng)上的鍵合線(xiàn)根據材質(zhì)分為幾大類(lèi)：金、銀、銅、鍍鈀銅、鋁等。這幾類(lèi)線(xiàn)材已得到了廣泛應用，這里就不過(guò)多贅述，我們就談?wù)勛钚乱淮逆I合線(xiàn)產(chǎn)品—鍍金銀線(xiàn)。

　　1 鍵合線(xiàn)市場(chǎng)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(diǎn), 被廣泛的用于半導體封裝中，早期的封裝工藝使用的鍵合線(xiàn)只有金線(xiàn)。但隨著(zhù)黃金價(jià)格的不斷攀升，在單顆器件中，金線(xiàn)的成本僅次于基板位居第二位(芯片除外)，成為封裝廠(chǎng)降低成本的主要目標。此時(shí)，銅線(xiàn)、鍍鈀銅線(xiàn)、銀合金線(xiàn)等低成本的材料先后被推向市場(chǎng)，在各自的應用領(lǐng)域占據了一定市場(chǎng)份額。

下圖為不同鍵合線(xiàn)的市場(chǎng)用量分析和預測：

　　2 為何是鍍金銀線(xiàn)?

　　目前金線(xiàn)的主要應用領(lǐng)域為存儲器、高可靠性汽車(chē)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(diǎn)決定了不適合使用銅線(xiàn)、銀合金線(xiàn)等低成本線(xiàn)材。

　　為何不能用銅線(xiàn)?由于銅線(xiàn)的硬度比金線(xiàn)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(xiàn)很容易出現Pad Peeling、Crack等問(wèn)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(diǎn)開(kāi)窗較小，鋁層飛濺將是銅線(xiàn)鍵合的主要挑戰。

　　圖1.銅與金對比，數據來(lái)源：賀利氏電子

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

　　通常我們在純銀里會(huì )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(huì )形成氧化鈀層從而抑制銀離子析出的速度，金會(huì )減少自由的銀離子的數量從而減少銀離子遷移。

　　圖2. PdO 層抑制銀離子析出，

　　圖片來(lái)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(xiàn)的銀遷移速率的對比。雖然合金會(huì )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(xiàn)表現出的可靠性還是比金線(xiàn)要差。所以，銀合金線(xiàn)通常會(huì )在一些低可靠性要求的產(chǎn)品中才有應用。

　　圖3.銀離子遷移實(shí)驗，數據來(lái)源：賀利氏電子

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

　　3 鍍金銀線(xiàn)的特點(diǎn)：

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

　　圖4. 鍍金銀線(xiàn)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(cháng)，從而提高了高溫存儲的可靠性。

　　圖5. 反應機理示意圖

　　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(zhù)良好的結合效果。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(xiàn)的抗硫化和抗腐蝕能力，也改善了銀離子遷移的問(wèn)題，提高了可靠性。

　　但是，由于A(yíng)u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A(yíng)g表面的覆蓋率對于此類(lèi)鍍金銀線(xiàn)的可靠性尤為重要。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常會(huì )在A(yíng)u與Ag之間加入阻礙層以延緩Au擴散到Ag內部。

　　圖6. Au &Ag 材料屬性對比，數據來(lái)源：賀利氏電子

　　FAB抗氯離子腐蝕對比實(shí)驗結果表明，與銀合金線(xiàn)相比，鍍金銀線(xiàn)有著(zhù)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(huì )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(shí)特殊的添加物會(huì )使Au 具有良好的表面張力及潤濕性，在FAB 形成時(shí)會(huì )更多的Au流下來(lái)覆蓋FAB。

　　圖7. FAB抗氯腐蝕實(shí)驗

　　圖8. FAB表面 Au 覆蓋

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

　　圖9. FAB有/無(wú)保護氣體對比

　　第一焊點(diǎn)與金線(xiàn)進(jìn)行對比，球形很圓，特別適合小焊盤(pán)產(chǎn)品的使用;但由于鍍金銀線(xiàn)硬度會(huì )略高于金線(xiàn)，所以，在鋁飛濺控制方面會(huì )略遜色于金線(xiàn)。

　　圖10. 第一焊點(diǎn)球形對比

　　第二焊點(diǎn)與金線(xiàn)及其它銀合金線(xiàn)進(jìn)行對比，

　　拉力值無(wú)顯著(zhù)差異;第二焊點(diǎn)參數窗口與金線(xiàn)基本

　　重合，明顯大于銀合金線(xiàn)。

　　圖11. 第二焊點(diǎn)拉力值對比

　　圖12. 第二焊點(diǎn)參數窗口對比

　　可靠性測試，鍍金銀線(xiàn)在bHAST 196h，

　　高低溫循環(huán)2000次后，第一焊點(diǎn)切片結果顯示Au層的覆蓋沒(méi)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(shí)后沒(méi)有發(fā)現明顯的柯肯達爾空洞現象。

　　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)品可靠性數據

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

　　4 鍍金銀線(xiàn)的主要推廣領(lǐng)域：

　　做為賀利氏全球首推，第一款用于高端產(chǎn)品應用的鍍金銀線(xiàn) AgCoatPrime

，目前在存儲器市場(chǎng)-NAND /NOR Flash、智能卡等市場(chǎng)已經(jīng)有不少客戶(hù)在量產(chǎn)使用。另外，在LED市場(chǎng)的室內/戶(hù)外照明、攝像頭、射頻器件等消費類(lèi)電子中的應用也在積極推廣中。賀利氏依托其在鍵合線(xiàn)領(lǐng)域近50年的技術(shù)積淀，提供具有高可靠性和性?xún)r(jià)比的創(chuàng )新產(chǎn)品，與客戶(hù)一同推動(dòng)半導體封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步。