半导体封装中金丝键合技术

摘要

本文的目的是对技术发现进行系统回顾，并讨论金引线键合在微电子封装中的可行性和未来。它还只在研究和比较金引线键合相对于其他引线合金如铜和银引线键合的成本、质量和磨损可靠性性能。基于金、铜或银引线键合的成本和引线选择进行文献综述。详细的磨损故障发现和导线选择以及成本考虑在本文中提出。此外简要回顾了金球和其他替代焊接选项的选定方面，重点是可靠性性能，并讨论了金引线焊接在不久的将来在半导体封装中的前景。从而揭示了为未来微电子封装选择导线类型时的技术考虑。本文在先前文献研究的基础上，讨论了微电子封装中导线类型(金、铜或最新银合金)选择的深入技术回顾和策略。

介绍

以前的金引线键合工程发现金(Au)引线键合是半导体封装中引入和部署的最常见的引线合金。然而，由于金价格上涨导致封装成本增加，集成电路供应商已经开始寻找成本更低的替代线材合金，如铜线。在HTSL，金可以像铜线一样可靠，但铜线在应力测试(如温度循环(TC)和高压锅测试(PCT))中带来了问题，这推动了半导体封装中镀钯铜线的评估。根据最近的研究，在可行的情况下，铜似乎可以并且应该取代金，这一点几乎没有疑问，但目前这样做的主要驱动力是降低成本。

金线是一种比铜和银线更软的材料 。因此，与其他钢丝合金相比，金的线拉或剪切试验后的断裂模式略有不同。软金球通常被工具剪切，使球的下部与铝(Al)金属化物结合。相比之下，铜球不会经历这种显著的塑性变形，通常完全剪开。在钢丝拉试验中，导线的抗拉强度越大，最大拉力和位移越大。Murali发现金球键主要沿着靠近金Al界面的铝金属化而失效。然而，铜球键断裂发生在铝金属化键垫的深处。老化的金球键的模式完全不同，即金断裂在金属间层的上方。

交替引线键合

在半导体封装中，铜引线键合被誉为是优于金引线键合的主要替代引线键合选择。部署铜引线键合的巨大兴趣主要是由目前较低的成本、较高的电导率和工具准备情况驱动的。然而，铜线较低的耐腐蚀性，特别是在有偏或无偏的HAST测试中，具有较硬材料特性的铜球键合不能使用相同的金球键合参数。

银最近被评估并提出作为替代金引线键合的另一种选择。键合过程中输入或输出的超声能量随时间-频率的变化，包括频率、谐波分量和相应能量的幅值的变化，随温度的变化而变化。结果表明，温度不仅影响粘接强度，还影响换能器系统的超声能量。然而，在FAB状态下，观察到预期的硬度；例如，银线的硬度比铜低得多，与金相似。银线在金属间介电微裂纹方面优于金和铜，因为使用银线时底层结构的变形与金相当，并且比铜线小得多。这允许在覆盖具有不太复杂的金属化叠层的器件上的有源区的键合焊盘上改进键合。

半导体封装中的各种成本效益方法

半导体公司采用了最有效的方法之一是减小导线尺寸。在某些情况下，将金线和铜线的布线从1.0密耳减少到0.6密耳。然而，由于较细的导线直径，在导线电感和电阻下降方面的电气性能可能是一个问题。因此，实施前正确的电气特性和可靠性评估至关重要。研究表明，在较厚的3.0密耳引线键合的情况下，不存在空隙形成。因此，具有减小的导线尺寸的金线的HTSL性能将更快地下降。对铜球键的类似测试显示了良好的扩散结合，具有有限的金属间相形成(或相当缓慢的生长)，并且在微观尺度上没有显示任何空隙，因此可能是高温条件下更好的设计选择(Murali等人，。。这也表明在半导体封装中用铜线代替金线来实现线尺寸减小更为可行。

用其他金属丝合金代替金

取代金线的关键驱动因素是成本效益。半导体封装中有多种键合选择，包括铜、银或铝线。到目前为止，由于铜键合工艺的成本较低和工业经验，铜线似乎是逐渐取代金线键合的最常用的键合线。但是，铜线部署需要额外的运营成本，例如铜线焊接机上的N2套件安装、未完成单元上的N2存储柜、半成品铜线上的适当存储条件以及降低的生产量。铜线的组装工艺特性也是需要克服的一大技术障碍。

总结和结论

由于其成熟性，Au引线键合在半导体封装中仍然很有吸引力，并且绝对是主流。截至今天，铜线似乎是最广泛采用的键合线，旨在取代金线键合。然而，铜线部署具有额外的操作成本，例如在铜线键合机上形成气体套件安装、在未完成的单元上存储的N2柜、在半使用的铜线上的适当存储条件等等。总的来说，铜线不是半导体封装中的最终键合线解决方案。铜引线键合更适合部署在低引脚数半导体封装、闪存封装或高功率器件或微机电系统中，这些器件利用较大直径的键合线和较低的输入输出数。Ag引线键合太新，需要在大规模部署前进行进一步的工程评估和表征。

图 1

图 2