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(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，金絲具有電導率大、耐腐蝕、韌性好

2、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(jié)果表明銅是金的最佳替代品[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，其成本只有金絲的13－110。（2）電學性能和熱學性能：銅的電導

3、率為0.62（μΩcm）－1，比金的電導率[0.42（μΩcm）－1]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，對界面組織的顯微結(jié)構(gòu)及界面氧化過程研究較多，其中最讓人們關心的是“紫斑“（AuAl2）和“白斑“（Au

4、2Al）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，Hyoung－JoonKim等人[9]認為在同等條件下，CuAl界面的金屬間化合物生長速度比AuAl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(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

5、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Al1％Si0.5％Cu金屬化焊盤，對比考察兩種焊點在200℃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

6、產(chǎn)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(chǎn)的NuTek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3μm。引線性能如表1所示。球焊點，但此時金球焊點內(nèi)部出現(xiàn)大量Kirkendall空洞及裂紋，導致其電氣性能急劇下降，而銅球焊點沒有出現(xiàn)空

7、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，AuAl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AuAl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10

8、0天以后金球內(nèi)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，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℃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(shù)量隨老化時間變化，需要說明的是彈坑包括應力型彈坑

9、和剪切性彈坑，應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(xiàn)彈坑較多，主要是因為銅絲球焊鍵合壓力比金絲球焊大。2.3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

10、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化過程中第二焊點被氧化，從而也導致拉伸斷裂載荷下降。4結(jié)論（1）銅絲球焊焊點的金屬間化合物生長速率比金絲球焊