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試驗結果與分析1引言絲球焊是引線鍵合中最具代表性的焊接技術，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，實現芯片內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2.53倍)，又無方向性，故可實現高速自動化焊接1。絲球焊廣泛采用金引線，金絲具有電導率大、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點，廣泛應用于集成電路，鋁絲由于存在形球非常困難等問題，只能采用楔鍵合，主要應用在功率器件、微波器件和光電器件，隨著高密度封裝的發(fā)展，金絲球焊的缺點將日益突出，同

2、時微電子行業(yè)為降低成本、提高可靠性，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，眾多研究結果表明銅是金的最佳替代品26。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，其成本只有金絲的1/31/10。(2)電學性能和熱學性能：銅的電導率為0.62(pQ/cm1,比金的電導率0.42(pQ/cm1大，同時銅的熱導率也高于金，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，也應用于更小直徑引線以適應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小引線鍵合；(4)焊點金屬間化合物：對于金引線鍵合到鋁金屬化焊盤，

3、對界面組織的顯微結構及界面氧化過程研究較多，其中最讓人們關心的是"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，導致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋。降低了焊點力學性能和電學性能7,8,對于銅引線鍵合到鋁金屬化焊盤，研究的相對較少，HyoungJoonKim等人9認為在同等條件下，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，美國國家半導體公司開始將銅絲球焊技術正式運用在實際生產中去，但目前銅絲球焊所占引線鍵合的比例依然很少，主要是因

4、此銅絲球焊技術面臨著一些難點：(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Au引線和Cu引線鍵合到Al-1%Si-0.5%Cu金屬化焊盤，對比考察兩種焊點在200c老化過程中的界面組織演變情況，焊點力學性能變化規(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生的原因及其和力學性能的相關關系。2試驗材料及方法鍵合設備采用K&S公司生產的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

5、保護裝置，為燒球過程和鍵合過程提供可靠的還原性氣體保護(95%N25%H2),芯片焊盤為Al+1%Si+0.5%Cu金屬化層，厚度為3pm。引線性能如表1所示。采用DOE實驗對鍵合參數（主要為超聲功率、鍵合時間、鍵合壓力和預熱溫度四個參數）進行了優(yōu)化，同時把能量施加方式做了改進，采用兩階段能量施加方法進行鍵合，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成最后的連接過程（第二階段），焊點界面結合強度主要取決于第二階段，本文所采用的鍵合參數，如表2所示。為加速焊點界面組織

6、演變，在200c下采用恒溫老化爐進行老化實驗，老化時間分別為n2天（n=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。為防止焊點在老化過程中被氧化，需要在老化過程中進行氮氣保護。焊點的橫截面按照標準的制樣過程進行制備。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1.0pm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表面的被散射電子像，EDX分析界面組成成分。剪切實驗和拉伸實驗是研究焊點力學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行剪切實驗和

7、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，劈刀距離焊盤表面4pm,以5wm/s的速度沿水平方向推動焊點，OlympusSTM6光學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（一般為幾十毫秒）完成，而且鍵合溫度遠沒有達到金屬熔點，原子互擴散來不及進行，因此在鍵合剛結束時很難形成金屬間化合物，對焊點進行200c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成分分析表明生成的金屬間化合物為A

8、u4Al為和Au5AL2,老化時間4天時出現了明顯的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)現明顯的金屬間化合物，在老化16天時，發(fā)現了很薄的Cu/Al金屬間化合物層（由于Cu和Al在300c以下固溶度非常小，因此認為生成的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kirkendall空洞。在溫度、壓力等外界因素一定的情況下，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、電負性、原子序數和結合能。Cu和Au都是面心立方晶格，都為第舊族元素，而且結合能相近，但是Cu與

9、Al原子尺寸差比Au與AL原子尺寸差大，Cu和AL電負性差較小，導致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，同時可以發(fā)現，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，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，但此時金球焊點內部出現大量Ki

10、rkendall空洞及裂紋，導致其電氣性能急劇下降，而銅球焊點沒有出現空洞及裂紋，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，失效模式在老化初期馬上發(fā)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天以后金球內部斷裂急劇增加，成為主要失效模式，導致剪切斷裂載荷降低。對于銅球焊點，

11、剪切實驗共發(fā)現了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200c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以完全剝離為主：彈坑隨老化進行逐漸增多，尤其老化81天后，應力型彈坑大量增加，導致剪切斷裂載荷下降，圖7所示為彈坑數量隨老化時間變化，需要說明的是彈坑包括應力型彈坑和剪切性彈坑，應力型彈坑為剪切實驗之前就已經存在的缺陷，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生，因此只有應力型彈坑是導致剪切斷裂載荷下降的原因，相對金球焊點，銅球焊點剪切出現彈坑較多，主要是因為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，主要是因為銅絲球焊老