賀利氏電子-宋建波  

摘要:

半導體封裝技術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。據相關數據統計,使用引線鍵合這種傳統封裝工藝的器件仍占據近70%的出貨量。雖然近些年來以WLCSP為代表的先進封裝技術發展迅速,但傳統的封裝工藝不會被完全淘汰,兩者會長期共存發展。

談到半導體封裝就不得不提到其重要的封裝材料—鍵合線。目前市場上的鍵合線根據材質分為幾大類:金、銀、銅、鍍鈀銅、鋁等。這幾類線材已得到了廣泛應用,這里就不過多贅述,我們就談談最新一代的鍵合線產品—鍍金銀線。

1 鍵合線市場信息:

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點, 被廣泛的用于半導體封裝中,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。此時,銅線、鍍鈀銅線、銀合金線等低成本的材料先后被推向市場,在各自的應用領域占據了一定市場份額。

下圖為不同鍵合線的市場用量分析和預測:

新一代的金線替代品-AgCoat? Prime鍍金銀線

新一代的金線替代品-AgCoat? Prime鍍金銀線

2 為何是鍍金銀線?

目前金線的主要應用領域為存儲器、高可靠性汽車電子、高端LED、攝像頭模組、軍工、航空等,這些領域里的產品由于其產品特點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鋁層較薄的產品中,如存儲器中Nand Flash有的薄至0.5um,如果打銅線很容易出現Pad Peeling、Crack等問題。相反,有部分產品Pad 鋁層較厚,甚至達到4um以上,如果Pad焊點開窗較小,鋁層飛濺將是銅線鍵合的主要挑戰。

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圖1.銅與金對比,數據來源:賀利氏電子

為何不能用銀合金線?由于銀離子相對比較活躍,尤其在一些高濕的環境中,會產生銀離子遷移的情況。同時,在有電流通過的情況下,銀離子遷移速率會提高。銀離子遷移會導致兩個Pad之間短路,最終導致產品失效,尤其是在一些小間距產品上的挑戰很大。此外,銀容易與硫反應生成硫化銀,從而產生可靠性問題。

通常我們在純銀里會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。鈀會形成氧化鈀層從而抑制銀離子析出的速度,金會減少自由的銀離子的數量從而減少銀離子遷移。

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圖2. PdO 層抑制銀離子析出,圖片來源: 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比。雖然合金會延緩銀離子遷移速率,但在一些高濕度的可靠性測試中,銀合金線表現出的可靠性還是比金線要差。所以,銀合金線通常會在一些低可靠性要求的產品中才有應用。

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圖3.銀離子遷移實驗,數據來源:賀利氏電子

針對以上銅線、銀合金線產品的不足之處,鍍金銀線被認為是目前這部分金線產品理想的替代品。它具體有哪些優勢呢,下面會詳細介紹一下。

3 鍍金銀線的特點:

在介紹產品特性前,先了解一下它的加工過程。顧名思義,鍍金銀線是在銀外面電鍍一層金,以下是鍍金銀線簡單的生產工藝流程圖:

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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,從而提高了高溫存儲的可靠性。

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圖5. 反應機理示意圖

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合效果。因此,電鍍一層金,對里面的銀起到了很好的保護作用,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表面的覆蓋率對于此類鍍金銀線的可靠性尤為重要。為了解決這個問題,通常會在Au與Ag之間加入阻礙層以延緩Au擴散到Ag內部。

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圖6. Au &Ag 材料屬性對比,數據來源:賀利氏電子

FAB抗氯離子腐蝕對比實驗結果表明,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,這是因為FAB表面Au包覆性非常好。為何會有如此好的包覆性?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散。另外,電鍍時特殊的添加物會使Au 具有良好的表面張力及潤濕性,在FAB 形成時會更多的Au流下來覆蓋FAB。

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圖7. FAB抗氯腐蝕實驗

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圖8. FAB表面 Au 覆蓋

在FAB形成時,除金線外其它材料都需要惰性氣體進行保護,從而對設備提出了更高的要求。但實驗結果顯示,鍍金銀線加了保護氣后FAB反而會變差,這是由于氣體破壞了Au Flow的流動,使Au 分布變差,所以,這款鍍金銀線的鍵合工藝無需保護氣體,真正實現了Gas Free,降低了對設備的要求。

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圖9. FAB有/無保護氣體對比

第一焊點與金線進行對比,球形很圓,特別適合小焊盤產品的使用;但由于鍍金銀線硬度會略高于金線,所以,在鋁飛濺控制方面會略遜色于金線。

新一代的金線替代品-AgCoat? Prime鍍金銀線

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圖10. 第一焊點球形對比

第二焊點與金線及其它銀合金線進行對比,拉力值無顯著差異;第二焊點參數窗口與金線基本重合,明顯大于銀合金線。

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圖11. 第二焊點拉力值對比

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圖12. 第二焊點參數窗口對比

可靠性測試,鍍金銀線在bHAST 196h,高低溫循環2000次后,第一焊點切片結果顯示Au層的覆蓋沒有被破壞,仍能起到很好的保護作用,另外,在高溫存儲3000小時后沒有發現明顯的柯肯達爾空洞現象。

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圖13. EDS-Mapping圖片

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圖14. 高溫存儲后切片照片

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圖15. 量產中的產品可靠性數據

以下是鍍金銀線與金線、銀合金及銅線的對比。這里匯總了一些關鍵的性能指標,包括導電阻率與4N金線相當,FAB硬度遠低于銅線,打開真空包裝后的使用壽命是60天等。

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4 鍍金銀線的主要推廣領域:

新一代的金線替代品-AgCoat? Prime鍍金銀線

做為賀利氏全球首推,第一款用于高端產品應用的鍍金銀線 AgCoatPrime,目前在存儲器市場-NAND /NOR Flash、智能卡等市場已經有不少客戶在量產使用。另外,在LED市場的室內/戶外照明、攝像頭、射頻器件等消費類電子中的應用也在積極推廣中。賀利氏依托其在鍵合線領域近50年的技術積淀,提供具有高可靠性和性價比的創新產品,與客戶一同推動半導體封裝技術的不斷進步。