新一代的金線替代品-AgCoat Prime鍍金銀線

摘要：

　　半導(dǎo)體封裝技術(shù)總體上可以分為兩大類: (1) Wire Bonding 引線鍵合工藝，(2) Non-Wire Bonding 非鍵合工藝，如FC、Clip bond等封裝技術(shù)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用引線鍵合這種傳統(tǒng)封裝工藝的器件仍占據(jù)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(tǒng)的封裝工藝不會(huì)被完全淘汰，兩者會(huì)長(zhǎng)期共存發(fā)展。

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

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

下圖為不同鍵合線的市場(chǎng)用量分析和預(yù)測(cè)：

　　2 為何是鍍金銀線?

　　目前金線的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榇鎯?chǔ)器、高可靠性汽車電子、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、銀合金線等低成本線材。

　　為何不能用銅線?由于銅線的硬度比金線高了約25%左右，在一些Pad鋁層較薄的產(chǎn)品中，如存儲(chǔ)器中Nand Flash有的薄至0.5um，如果打銅線很容易出現(xiàn)Pad Peeling、Crack等問(wèn)題。相反，有部分產(chǎn)品Pad 鋁層較厚，甚至達(dá)到4um以上，如果Pad焊點(diǎn)開窗較小，鋁層飛濺將是銅線鍵合的主要挑戰(zhàn)。

　　圖1.銅與金對(duì)比，數(shù)據(jù)來(lái)源：賀利氏電子

　　為何不能用銀合金線?由于銀離子相對(duì)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(dǎo)致兩個(gè)Pad之間短路，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效，尤其是在一些小間距產(chǎn)品上的挑戰(zhàn)很大。此外，銀容易與硫反應(yīng)生成硫化銀，從而產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。

　　通常我們?cè)诩冦y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(shù)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的銀遷移速率的對(duì)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(cè)試中，銀合金線表現(xiàn)出的可靠性還是比金線要差。所以，銀合金線通常會(huì)在一些低可靠性要求的產(chǎn)品中才有應(yīng)用。

　　圖3.銀離子遷移實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)來(lái)源：賀利氏電子

　　針對(duì)以上銅線、銀合金線產(chǎn)品的不足之處，鍍金銀線被認(rèn)為是目前這部分金線產(chǎn)品理想的替代品。它具體有哪些優(yōu)勢(shì)呢，下面會(huì)詳細(xì)介紹一下。

　　3 鍍金銀線的特點(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，鍍金銀線是在銀外面電鍍一層金，以下是鍍金銀線簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝流程圖：

　　圖4. 鍍金銀線工藝流程圖

　　核心材料為Ag加入少量Pd，Pd的添加可有效延緩IMC的生長(zhǎng)，從而提高了高溫存儲(chǔ)的可靠性。

　　圖5. 反應(yīng)機(jī)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良好的結(jié)合效果。因此，電鍍一層金，對(duì)里面的銀起到了很好的保護(hù)作用，從而提升了銀線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Au與Ag 的材料屬性決定了它們之間易融合從而相互擴(kuò)散形成固容體，影響Au的表面覆蓋率。所以，提高Au在Ag表面的覆蓋率對(duì)于此類鍍金銀線的可靠性尤為重要。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常會(huì)在Au與Ag之間加入阻礙層以延緩Au擴(kuò)散到Ag內(nèi)部。

　　圖6. Au &Ag 材料屬性對(duì)比，數(shù)據(jù)來(lái)源：賀利氏電子

　　FAB抗氯離子腐蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與銀合金線相比，鍍金銀線有著非常出色的抗氯離子腐蝕的性能，這是因?yàn)镕AB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(kuò)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(rùn)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(yàn)

　　圖8. FAB表面 Au 覆蓋

　　在FAB形成時(shí)，除金線外其它材料都需要惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，從而對(duì)設(shè)備提出了更高的要求。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鍍金銀線加了保護(hù)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，這款鍍金銀線的鍵合工藝無(wú)需保護(hù)氣體，真正實(shí)現(xiàn)了Gas Free，降低了對(duì)設(shè)備的要求。

　　圖9. FAB有/無(wú)保護(hù)氣體對(duì)比

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

　　圖10. 第一焊點(diǎn)球形對(duì)比

　　第二焊點(diǎn)與金線及其它銀合金線進(jìn)行對(duì)比，

　　拉力值無(wú)顯著差異;第二焊點(diǎn)參數(shù)窗口與金線基本

　　重合，明顯大于銀合金線。

　　圖11. 第二焊點(diǎn)拉力值對(duì)比

　　圖12. 第二焊點(diǎn)參數(shù)窗口對(duì)比

　　可靠性測(cè)試，鍍金銀線在bHAST 196h，

　　高低溫循環(huán)2000次后，第一焊點(diǎn)切片結(jié)果顯示Au層的覆蓋沒(méi)有被破壞，仍能起到很好的保護(hù)作用，另外，在高溫存儲(chǔ)3000小時(shí)后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的柯肯達(dá)爾空洞現(xiàn)象。

　　圖13. EDS-Mapping圖片

　　圖14. 高溫存儲(chǔ)后切片照片

　　圖15. 量產(chǎn)中的產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)

　　以下是鍍金銀線與金線、銀合金及銅線的對(duì)比。這里匯總了一些關(guān)鍵的性能指標(biāo)，包括導(dǎo)電阻率與4N金線相當(dāng)，F(xiàn)AB硬度遠(yuǎn)低于銅線，打開真空包裝后的使用壽命是60天等。

　　4 鍍金銀線的主要推廣領(lǐng)域：

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

，目前在存儲(chǔ)器市場(chǎng)-NAND /NOR Flash、智能卡等市場(chǎng)已經(jīng)有不少客戶在量產(chǎn)使用。另外，在LED市場(chǎng)的室內(nèi)/戶外照明、攝像頭、射頻器件等消費(fèi)類電子中的應(yīng)用也在積極推廣中。賀利氏依托其在鍵合線領(lǐng)域近50年的技術(shù)積淀，提供具有高可靠性和性價(jià)比的創(chuàng)新產(chǎn)品，與客戶一同推動(dòng)半導(dǎo)體封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步。