無(wú)氰鍍金銀基鍵合絲的研究進(jìn)展

1、doi:10.3969/j.issn.1007-7545.2018.06.014無(wú)匐鍍金銀基鍵合絲的研究進(jìn)展李鳳1,234,唐會(huì)毅1,234,吳保安1,234,羅維凡1,234,羅鳳蘭1,2,3,4(1.重慶材料研究院有限公司，重慶400707;2.國(guó)家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶400707;3 .高性能測(cè)溫材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶400707;4 .重慶市稀貴金屬高效應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，重慶400707)摘要：鍵合銀絲具有生產(chǎn)成本低，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，但其抗氧化、硫化性低，不能完全替代鍵合金絲，特別是在高密度的集成電路封裝工業(yè)中，因此鍍金銀基鍵合絲應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)在銀絲表面覆蓋鍍

2、金層，使其抗氧化能力提高，成球性好，可靠性高。主要介紹無(wú)氧鍍金工藝和鍍金銀基鍵合絲的發(fā)展。關(guān)鍵詞：封裝；鍵合絲；無(wú)氧鍍；性能中圖分類(lèi)號(hào)：TQ153.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-7545(2018)06-0000-00ResearchProgramofCyanide-FreeAu-CoatedSilverWireLIFeng1,2,3,4,TANGHui-yi1,2,3,4,WUBao-an1,2,3,4,LUOWei-fan1,2,3,4,LUOFeng-lan1,2,3,4(1.ChongqingMaterialsResearchInstituteCo.,Ltd,Chongqing4

3、00707,China;2. NationalInstrumentFunctionalMaterialsEngineeringResearchCenters,Chongqing400707,China;3. NationalLocalJointEngineeringLaboratoryofHighPerformanceThermometer,Chongqing400707,China;4. ChongqingEngineeringResearchCentersofRareandPreciousMetalsHighEffectiveApplication,Chongqing400707,Chin

4、a)Abstract:Thoughwithbetterelectricalandthermalproperties,andlowproductioncostcomparedwithbondinggoldwire,bondingsilverwirecannotreplacebondinggoldwirecompletelyinhighdensityintegratedcircuitpackagingindustryduetoitslowoxidationandsulfurationresistance.Au-coatedsilverwirepreparedbygoldplatingonsilve

5、rwiresurfacehashighoxidationresistance,betterspheronization,andhighreliability.Thedevelopmentprospectofcyanide-freegoldplatingprocessandcyanide-freeAu-coatedsilver(ACA)wireareintroduced.Keywords:package;bondingwire;cyanide-freeplating;property目前，集成電路中的半導(dǎo)體電子芯片與外部引線(xiàn)框架的連接大部分都是依靠鍵合絲完成的，即引線(xiàn)鍵合，且是集成電路封裝行業(yè)的

6、最傳統(tǒng)和最常見(jiàn)方法1-4。傳統(tǒng)的鍵合絲多由純金制成，它具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕和韌性好的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但隨著黃金資源的稀缺，價(jià)格不斷上漲，其生產(chǎn)成本日益增加，因此，尋求一種工藝性能好、生產(chǎn)成本低的替代產(chǎn)品迫在眉睫5-6。銅具有較好的熱力學(xué)性能，但其在封裝行業(yè)的可靠性和持久性影響其使用，因此銅不能完全替代金的地位7-9。銀具有最好的導(dǎo)電性，延展性好，且硬度與金相似，但純銀絲易氧化，成球性和可靠性差10,也不能替代金絲。鍍金銀基鍵合絲既有銀的優(yōu)異電學(xué)性能、力學(xué)性能，同時(shí)也具有金的抗氧化性，使鍵合絲的成球性能好，可靠性高，且使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)生產(chǎn)成本低11。主要介紹無(wú)氧鍍金工藝和鍍金銀基鍵合絲的發(fā)展。

7、1鍵合絲的發(fā)展目前，鍵合絲主要有鍵合金絲、鍵合銀絲、鍍耙鍵合銅絲、鍵合金銀絲等。在半導(dǎo)體封裝行業(yè)使用頻率最高的還是鍵合金絲，金絲由于優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、均勻性、耐腐蝕性等性能，成為應(yīng)用廣泛的鍵合絲材料之一。但金具有價(jià)格高、強(qiáng)度低以及在與鋁盤(pán)界面易產(chǎn)生脆性金屬間化合物等缺點(diǎn)，為提升鍵合絲的性能及降低生產(chǎn)成本，各國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了可替代的新型金銀基合金鍵合絲及覆層鍵合絲的廣泛研究及應(yīng)用開(kāi)發(fā)，使其成為替代金絲的理想材料。此外，為了改善單一銅和銀的抗氧化性，合金化或者復(fù)層的鍵合銅絲和鍵合銀絲也在研究范圍之內(nèi)。1.1鍍鉗鍵合銅絲由于銅易氧化，氧化后可焊性差，影響成球效果，且銅球的硬度高，封裝后易受環(huán)境中鹵化物

8、的影響12因此研究者在銅絲表面鍍一層鋁，鍍鋁層能防止銅的氧化，但在鍵合過(guò)程中，易形成Cu-Al金屬化合物，影響第一鍵合處的剪切力強(qiáng)度13。收稿日期:2017-12-19項(xiàng)目基金：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0402602)作者簡(jiǎn)介：李鳳(1987-),女，重慶人，工程師.1.2 鍵合金銀合金絲銀的易氧化、成球不穩(wěn)定等特點(diǎn)，限制了鍵合銀絲的發(fā)展，研究者通過(guò)合金化、表面鍍層等改性研究，以提高其力學(xué)性能和電學(xué)性能。目前有Ag-Au-Pd添加少許稀有金屬的銀合金鍵合絲14-15和Ag-Pd16等合金鍵合絲產(chǎn)品面世，但長(zhǎng)時(shí)間使用仍會(huì)發(fā)生氧化，且在生產(chǎn)以及封裝過(guò)程中均需要?dú)怏w保護(hù)，限制了該類(lèi)產(chǎn)品的

9、應(yīng)用。1.3 鍍金銀基鍵合絲為充分利用純銀優(yōu)異的電學(xué)性能和力學(xué)性能，克服純銀易氧化的特點(diǎn)，在一定直徑的純銀絲表面鍍一金層，然后將鍍金絲拉拔至需要的直徑。鍍金層與銀表面的分子之間相互融合，提高了銀絲的抗氧化性，有效降低了生產(chǎn)成本，并延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命17。2無(wú)策鍍金工藝發(fā)展氧化鍍金一直是鍍金行業(yè)的主流工藝18,因鍍液穩(wěn)定、鍍層的光亮度高、結(jié)合能力強(qiáng)、平整度高、分散能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于中、高端電子元器件封裝材料。但氧化鍍金毒性大，不僅影響操作工人的身體健康，同時(shí)排出的廢水也嚴(yán)重污染環(huán)境19,因此氧化鍍金逐漸被無(wú)氟鍍金所代替。無(wú)氧鍍金液主要由金的主鹽、絡(luò)合劑、添加劑組成。目前，非氧化鍍金液主要

10、是亞硫酸鍍金液，其分散能力和覆蓋能力較好，陰極電流效率高，沉積速度快，鍍層結(jié)晶光亮致密，空隙少，但由于鍍液要求的溫度較高，鍍金液穩(wěn)定差，在鍍槽的攪拌泵和加熱器沉積金19-20。為解決無(wú)停電鍍液穩(wěn)定性問(wèn)題，樂(lè)瑋等21用二甲基亞碉有機(jī)溶劑體系電鍍金，該體系具有鍍液高度穩(wěn)定，且無(wú)需添加穩(wěn)定劑和光亮劑，其鍍層結(jié)晶細(xì)致，結(jié)合力和耐蝕性良好。研究者向鍍金液中添加抗氧化劑22DMH23以使鍍金層晶粒細(xì)小、平整，光亮度更好，防變色能力強(qiáng)，平整性好等特點(diǎn)。無(wú)氧鍍金的工藝不僅受電鍍液的影響，電鍍時(shí)間、電流密度、鍍液的溫度等都影響電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量。鍍層的厚度與電鍍時(shí)間和電流密度密切相關(guān)，隨著電鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍層厚度增

11、加，但當(dāng)鍍層厚度增加到一定程度后，繼續(xù)延長(zhǎng)電鍍時(shí)間，鍍層增加的速度變緩，因此應(yīng)控制在最佳的電鍍時(shí)間。電流密度不僅影響鍍層厚度，也影響鍍層的致密程度，電流密度較低時(shí)，沉積速度低，鍍層色澤暗，電流密度較高時(shí)，陰極表面的金屬離子降低過(guò)快，從而使極化作用加強(qiáng)，影響晶粒的生成，鍍層疏松多孔。鍍液溫度影響著鍍層的沉積速度，溫度過(guò)低，沉積速度慢，但溫度過(guò)高，影響鍍液的穩(wěn)定性24。因此，為得到滿(mǎn)意的無(wú)氟鍍金產(chǎn)品，應(yīng)控制好電鍍時(shí)間、電流密度、鍍液溫度。3無(wú)富鍍金銀基鍵合絲及其性能通過(guò)對(duì)一定直徑的銀絲進(jìn)行無(wú)停電鍍，電鍍液由含量為1020g/L氯金酸鈉的無(wú)氧電鍍液和一些添加劑組成，電鍍溫度范圍4060C,pH控制在

12、89,電流密度控制在0.51.0A/dm2,鍍金層的厚度還與電鍍時(shí)間有關(guān)，根據(jù)所需的鍍層厚度確定電鍍時(shí)間21,24-25o電鍍過(guò)程如圖1所示26。鍍金銀基鍵合絲的納米結(jié)構(gòu)26見(jiàn)圖2a,鍍金銀基鍵合絲的橫截面26如圖2b所示。R«elfeedingNoncyanidegoldbathReeltake-up圖1連續(xù)無(wú)停鍍金設(shè)備Fig.1 Schematicdiagramofequipmentforcontinuousnoncyanideelectroplating圖2鍍金銀基鍵合絲白納米結(jié)構(gòu)圖(a)和橫截面圖(b)Fig.2 Structureofnano-Au-coatedAgbond

13、ingwire(a)anditscross-sectionview(b)3.1氧化性眾所周知，銀在潮濕的環(huán)境下易被氧化，或是在含有硫的環(huán)境中易被硫化，而金化學(xué)穩(wěn)定性極高，在空氣中抗氧化能力強(qiáng)。被氧化的純銀絲在成球過(guò)程中影響較大，最終影響產(chǎn)品的可靠性。研究者26通過(guò)測(cè)試相同氧化環(huán)境中氧化的純銀絲和鍍金銀基鍵合絲的電阻，發(fā)現(xiàn)銀絲的電阻率上升，而鍍金銀基鍵合絲的電阻維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，因此可見(jiàn)，鍍金銀絲表面的鍍金層阻止了內(nèi)部銀絲的氧化，從而維持無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲優(yōu)異的電學(xué)性能。銀絲和鍍金銀絲(ACA)在不同氧化時(shí)間下的電阻率26如圖3所示。25rACA1511111050010001500200

14、025003000時(shí)間/niin圖3銀絲和鍍金銀絲在不同氧化時(shí)間下的電阻率Fig.3ElectricalresistivityofAgandAu-coatedsilverwiresaftervariousoxidationtimes3.2熱力學(xué)性能帥和平22對(duì)無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲力學(xué)性能進(jìn)行研究，鍍金銀基鍵合絲和純銀絲具有相似的楊氏模量，相同的伸長(zhǎng)率，且鍍金銀基鍵合絲具有更高的抗拉強(qiáng)度，鍍金層能增加純銀絲的力學(xué)性能27-28,銀絲和鍍金銀基鍵合絲的力學(xué)，f能見(jiàn)表128。在電流強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，無(wú)氧鍍金銀基鍵合絲和純銀絲的力學(xué)性能均比沒(méi)通電時(shí)的力學(xué)性能低。鍍金絲的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)和拉升性能28-29如圖4

15、所示。無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲呈現(xiàn)典型的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)，而在電流強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，無(wú)氧鍍金銀基鍵合絲延展性發(fā)生變化，且在塑性區(qū)域的變化較大。在低應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力變化過(guò)快，導(dǎo)致了電子轉(zhuǎn)移，從而引發(fā)了晶界面的晶體滑移，增強(qiáng)了無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲的抗拉強(qiáng)度。在塑性區(qū)域，應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)暗示著高的波動(dòng)振幅，在電流的影響下，晶粒的長(zhǎng)大與轉(zhuǎn)動(dòng)減小了絲材晶界能和電阻30。表1銀絲和無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲的力學(xué)性能Table1MechanicalpropertiesofAgandACAwires屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%斷裂模式Agwire(4N)149.2185.316.0韌性斷裂ACAwire160.1198.

16、416.8韌性斷裂AgwireinETtest111.9146.48.8韌性斷裂ACAwireinETtest139.6171.79.6韌性斷裂圖4應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)和拉升性能Fig.4Stress-straincurvesandtensileproperties溫度也影響無(wú)停鍍金銀基鍵合絲的力學(xué)性能，退火后，無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲的硬度降低，但其延伸率顯著增加，合適的退火溫度不僅使其韌性好，而且強(qiáng)度高，但退火溫度過(guò)高，其內(nèi)部晶粒逐漸長(zhǎng)大，并出現(xiàn)等軸雙晶，影響其力學(xué)性能26。3.3 電學(xué)性能無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲具有優(yōu)異的電學(xué)性能，無(wú)氧鍍金銀基鍵合絲和純銀絲在室溫（25C）時(shí)的熔斷電流相同，但在高溫（85

17、C）時(shí)，無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲的熔斷電流比純銀絲高，由于純銀絲在高溫時(shí)易氧化，其初始電壓較高，而無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲的鍍金層阻止了內(nèi)部銀絲的氧化，初始電壓較低29。無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲和純銀絲在沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，其晶粒較小31,當(dāng)純銀絲和無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲通電后，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱使絲材內(nèi)部的晶粒長(zhǎng)大，絲材的晶粒邊界減少，因此會(huì)相應(yīng)地降低絲材的電阻，而熱能又能加速電子遷移效應(yīng)，使細(xì)絲更快地達(dá)到熱力學(xué)平衡27。但當(dāng)較高的電流通過(guò)細(xì)絲時(shí)，細(xì)絲的溫度升高過(guò)快將影響絲材的電阻及絲材的使用壽命27,29。3.4 成球性燒球是鍵合過(guò)程的第一步，通過(guò)電火焰自由成球，在此過(guò)程中，融化熱就形成了一個(gè)熱影響區(qū)，因此，在球

18、的頸部就發(fā)生了明顯的晶粒長(zhǎng)大，且出現(xiàn)退火攣晶，晶粒尺寸較大時(shí)緩解熱應(yīng)力的能力下降31。在燒球結(jié)束后，由于冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力的作用，在垂直于軸線(xiàn)方向產(chǎn)生環(huán)形裂紋。由于銀絲表面有鍍金層，阻止了銀基的氧化，因此，在燒球過(guò)程中不需要再加入保護(hù)氣體。周文艷等33-34就燒球過(guò)程中的電流及時(shí)間進(jìn)行了研究，采用高電流一短時(shí)間的燒球參數(shù)，焊球與電極界面結(jié)合較好，焊線(xiàn)的鍵合強(qiáng)度較高，電極損傷較少，所得銀絲鍵合質(zhì)量較好。4無(wú)富鍍金銀基鍵合絲的前景雖然鍵合金絲在集成電路封裝材料中一直表現(xiàn)優(yōu)異，但由于其生產(chǎn)成本高昂及金礦資源日漸消耗，研究者們不得不尋找新的替代品。無(wú)氟鍍金銀基鍵合絲采用無(wú)氧鍍金技術(shù)，不僅在生產(chǎn)過(guò)程

19、中保護(hù)了操作工人的健康，同時(shí)對(duì)環(huán)境污染小，并保證了銀的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在承載相同額定電流的前提下，進(jìn)一步縮小鍵合絲的直徑,縮短焊接間距，使其在高密度的集成電路封裝工業(yè)的適用性提高，同時(shí)可以大幅度降低中高端微電子期間芯片的封裝材料成本17。參考文獻(xiàn)1田春霞.電子封裝用導(dǎo)電絲材料及發(fā)展J.稀有金屬，2003,27(6):782-787.2 HARMANGG.Wirebondinginmicroelectronics-materials,processes,reliabilityandyieldM.NewYork：McGraw-Hill,1997(2)：235-236.3 HARPERCA.Elec

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