LED銅線和金線的優(yōu)缺點

1、這里有一份銅線和 金線的詳細(xì)試驗結(jié)果 與分析1引言絲球焊是引線鍵合中最具代表性的焊接技術(shù),它是在一定的溫度下, 作用鍵合工具劈刀的壓力,并加載超聲振動,將引線一端鍵合在 IC 芯片的金屬法層上,另一端鍵合到引線框架上或 PCB便的焊盤上, 實現(xiàn)芯片內(nèi)部電路與外圍電路的電連接,由于絲球焊操作方便、靈活、 而且焊點牢固,壓點面積大(為金屬絲直徑的2.5 3倍),又無方向性,故可實現(xiàn)高速自動化焊接1.絲球焊廣泛采用金引線,金絲具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點, 廣泛應(yīng)用于集成電路,鋁絲由于存在形球非常困難等問題,只能采用 楔鍵合,主要應(yīng)用在功率器件、微波器件和光電器件,隨著高密度封 裝的開展,金絲

2、球焊的缺點將日益突出,同時微電子行業(yè)為降低本錢、 提升可靠性,必將尋求工藝性能好、價格低廉的金屬材料來代替價格 昂貴的金,眾多研究結(jié)果說明銅是金的最正確替代品2 6.銅絲球焊具有很多優(yōu)勢：(1)價格優(yōu)勢：引線鍵合中使用的各種規(guī)格的銅絲,其本錢只有金 絲的 1/3 1/10.(2)電學(xué)性能和熱學(xué)性能：銅的電導(dǎo)率為 0.62 ( pQ/cm 1,比 金的電導(dǎo)率0.42 ( w Q/cm 1大,同時銅的熱導(dǎo)率也高于金,因此 在直徑相同的條件下銅絲可以承載更大電流, 使得銅引線不僅用于功 率器件中,也應(yīng)用于更小直徑引線以適應(yīng)高密度集成電路封裝；(3)機械性能：銅引線相對金引線的高剛度使得其更適合細(xì)小引

3、線 鍵合；(4)焊點金屬間化合物：對于金引線鍵合到鋁金屬化焊盤,對界面 組織的顯微結(jié)構(gòu)及界面氧化過程研究較多,其中最讓人們關(guān)心的是"紫斑"(AuAl2)和"白斑"(Au2Al)問題,并且因Au和Al兩種元素 的擴散速率不同,導(dǎo)致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋. 降低了焊 點力學(xué)性能和電學(xué)性能7, 8,對于銅引線鍵合到鋁金屬化焊盤,研 究的相對較少,Hyoung - JoonKim等人9認(rèn)為在同等條件下,Cu/Al 界面的金屬間化合物生長速度比 Au/Al界面的慢10倍,因此,銅絲 球焊焊點的可靠性要高于金絲球焊焊點.1992年8月,美國國家半導(dǎo)體公司開始

4、將銅絲球焊技術(shù)正式運用在 實際生產(chǎn)中去,但目前銅絲球焊所占引線鍵合的比例依然很少,主要是因此銅絲球焊技術(shù)面臨著一些難點：(1)銅容易被氧化,鍵合工藝不穩(wěn)定,(2)銅的硬度、屈服強度等物理參數(shù)高于金和鋁.鍵合時需要施加 更大的超聲能量和鍵合壓力,因此容易對硅芯片造成損傷甚至是破 壞.本文采用熱壓超聲鍵合的方法,分別實現(xiàn) Au引線和Cu引線鍵合到 Al-1 %Si-0.5%Cu金屬化焊盤,比照考察兩種焊點在200 c老化過程 中的界面組織演變情況,焊點力學(xué)性能變化規(guī)律,焊點剪切失效模式 和拉伸失效模式,分析了焊點不同失效模式產(chǎn)生的原因及其和力學(xué)性 能的相關(guān)關(guān)系.2試驗材料及方法鍵合設(shè)備采用K&am

5、p;S公司生產(chǎn)的Nu-Tek絲球焊機,超聲頻率為120m 赫茲,銅絲球焊時,增加了一套 CopperKit防氧化保護(hù)裝置,為燒球 過程和鍵合過程提供可靠的復(fù)原性氣體保護(hù)95%N25%H2,芯 片焊盤為Al+1%Si + 0.5%Cu金屬化層,厚度為3 pm.引線性能如 表1所不.采用DOE實驗對鍵合參數(shù)主要為超聲功率、鍵合時間、鍵合壓力 和預(yù)熱溫度四個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,同時把能量施加方式做了改良, 采用兩階段能量施加方法進(jìn)行鍵合,首先在接觸階段第一階段, 以較大的鍵合壓力和較低的超聲功率共同作用于金屬球FAB,使 其發(fā)生較大的塑性變形,形成焊點的初步形貌；隨之用較低的鍵合壓 力和較高超聲功率來完

6、成最后的連接過程第二階段,焊點界面結(jié) 合強度主要取決于第二階段,本文所采用的鍵合參數(shù),如表 2所示. 為加速焊點界面組織演變,在 200 c下采用恒溫老化爐進(jìn)行老化實 驗,老化時間分別為n2天n=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、 11.為預(yù)防焊點在老化過程中被氧化,需要在老化過程中進(jìn)行氮氣 保護(hù).焊點的橫截面根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制樣過程進(jìn)行制備. 但由于焊點的尺寸原因 需要特別精心,首先采用樹脂進(jìn)行密封,在水砂紙上掩模到2000號精度,保證橫截面在焊點正中,再采用 1.0 wm粒度的金剛石掩模劑在金絲絨專用布上拋光,HITACHIS 4700掃描電鏡抓取了試樣外表 的被散射電子像,EDX分析界

7、面組成成分.剪切實驗和拉伸實驗是研究焊點力學(xué)性能和失效模式的主要實驗方 法,采用Royce580測試儀對各種老化條件下的焊點進(jìn)行剪切實驗和 拉伸實驗,記錄焊點的剪切斷裂載荷和拉伸斷裂載荷,剪切實驗時, 劈刀距離焊盤外表4pm,以5 w m/s的速度沿水平方向推動焊點, OlympusSTM6光學(xué)顯微鏡觀察記錄焊點失效模式,對于每個老化條 件,分別48個焊點用于剪切實驗和拉伸實驗,以滿足正態(tài)分布.3試驗結(jié)果與分析3.1 金、銅絲球焊焊點金屬間化合物成長絲球焊是在一定的溫度和壓力下, 超聲作用很短時間內(nèi)一般為幾十 毫秒完成,而且鍵合溫度遠(yuǎn)沒有到達(dá)金屬熔點,原子互擴散來不及 進(jìn)行,因此在鍵合剛結(jié)束時

8、很難形成金屬間化合物,對焊點進(jìn)行200 c老化,如圖1所示.金絲球焊焊點老化1天形成了約8pm厚 的金屬間化合物層,EDX成分分析說明生成的金屬間化合物為 Au4Al 為和Au5AL2 ,老化時間4天時出現(xiàn)了明顯的Kirkendall空洞,銅絲 球焊焊點生成金屬間化合物的速率要比金絲球焊慢很多,如圖 2所 示,在老化9天后沒有發(fā)現(xiàn)明顯的金屬間化合物,在老化 16天時, 發(fā)現(xiàn)了很薄的Cu/Al金屬間化合物層由于Cu和Al在300 c以下固 溶度非常小,因此認(rèn)為生成的Cu/Al相是金屬間化合物,圖3顯示 了老化121天時其厚度也不超過1pm,沒有出現(xiàn)kirkendall空洞. 在溫度、壓力等外界因

9、素一定的情況下,影響兩種元素生成金屬間化 合物速率的主要因素有晶格類型、原子尺寸、電負(fù)性、原子序數(shù)和結(jié) 合能.Cu和Au都是面心立方晶格,都為第 舊族元素,而且結(jié)合能 相近,但是Cu與Al原子尺寸差比Au與AL原子尺寸差大,Cu和 AL電負(fù)性差較小,導(dǎo)致 Cu/Al生成金屬間化合物比Au/Al生成金屬 間化合物慢.3.2 金、銅絲球焊焊點剪切斷裂載荷和失效模式圖4顯示了金、銅絲球焊第一焊點球焊點剪切斷裂載荷老化時間 的變化,可以看到,無論對于金球焊點還是銅球焊點,其剪切斷裂載 荷在很長一段時間內(nèi)隨老化時間增加而增加,隨后剪切斷裂載荷下 降,這主要與不同老化階段剪切失效模式不同有關(guān),同時可以發(fā)現(xiàn)

10、, 銅球焊點具有比金球焊點更穩(wěn)定的剪切斷裂載荷,并且在未老化及老 化一定時間內(nèi),銅球焊點的剪切斷裂載荷比金球焊點好, 老化時間增 長后,銅球焊點剪切斷裂載荷不如金球焊點, 但此時金球焊點內(nèi)部出 現(xiàn)大量Kirkendall空洞及裂紋,導(dǎo)致其電氣性能急劇下降,而銅球焊 點沒有出現(xiàn)空洞及裂紋,其電氣性能較好.對于金球焊點,剪切實驗共發(fā)現(xiàn)了 5種失效模式：完全剝離沿球與 鋁層界面剝離、金球殘留、鋁層斷裂、球內(nèi)斷裂和彈坑,圖 5顯示 了金球焊點剪切失效模式隨老化時間的變化,未老化時,Au/Al為還沒有形成金屬間化合物,剪切失效模式為完全剝離,由于 Au/Al老化 過程中很快生成金屬間化合物,失效模式在老

11、化初期馬上開展為以鋁 層剝離為主：隨后,鋁層消耗完畢,老化中期失效模式以金球殘留為 主,此時斷裂發(fā)生在金屬間化合物與金球界面；老化 100天以后金球內(nèi)部斷裂急劇增加,成為主要失效模式,導(dǎo)致剪切斷裂載荷降低.對于銅球焊點,剪切實驗共發(fā)現(xiàn)了 4種失效模式：完全剝離、銅球殘留、鋁層斷裂和彈坑.圖6顯示了銅球焊點剪切失效模式隨老化時間 的變化,由于銅球焊點200 c時生成金屬間化合物很慢,因此其剪切 失效模式在老化較長時間內(nèi)以完全剝離為主： 彈坑隨老化進(jìn)行逐漸增 多,尤其老化81天后,應(yīng)力型彈坑大量增加,導(dǎo)致剪切斷裂載荷下 降,圖7所示為彈坑數(shù)量隨老化時間變化, 需要說明的是彈坑包括應(yīng) 力型彈坑和剪切

12、性彈坑,應(yīng)力型彈坑為剪切實驗之前就已經(jīng)存在的缺 陷,而剪切型彈坑是由于接頭連接強度高,在剪切實驗過程中產(chǎn)生, 因此只有應(yīng)力型彈坑是導(dǎo)致剪切斷裂載荷下降的原因,相對金球焊 點,銅球焊點剪切出現(xiàn)彈坑較多,主要是由于銅絲球焊鍵合壓力比金 絲球焊大.3.3 金、銅絲球焊拉伸斷裂載荷和失效模式圖8顯示了金、銅絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時間的變化, 金絲球焊 拉伸斷裂載荷隨老化時間變化不大,拉伸斷裂模式以第一焊點和中間 引線斷裂為主.銅絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時間不斷下降, 由于銅 的塑性比金差,而且銅絲球焊第二焊點鍵合壓力比金絲球焊大很多, 因此銅絲球焊第二焊點比金絲球焊變形損傷大, 銅絲球焊拉伸時容易 發(fā)生第二焊點斷裂,第二焊點斷裂又分為魚尾處斷裂根部斷裂和 焊點剝離引線和焊盤界面剝離,如圖9所示,銅絲球焊拉伸在老 化初期為魚尾處斷裂,老化16天以后焊點剝離逐漸增多,主要是因 為銅絲球