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1、键合金丝及其发展方向键合金丝及其发展方向杜连民(北京有色金晨与稀土应用研究所,北京100012)摘要本文主要介绍了用于微电子封装业的键合金丝及其种类,键台工艺及其易出现的问题和对键合金丝的要求,最后介绍了微电子产业及键合金丝的发展趋势.关键调键合金丝键合方法性能应用发展0前言晶体管,集成电路,大规模集成电路等半导体器件的电极部位或芯片与外部引线的连接方法中,虽然有不用键合丝的TAB(TapeAutomatedBonding),FCB(FlipChipBonding)等方法,但还是以产品类型容易更换,封装费用低的丝键合法为主,一般使用20m5Om左右的金属丝.根据半导体器件的封装方式及键合丝的种
2、类:一般把丝键合法分为树脂封装的金丝键合法和气密性封装的铝丝键合法两种.金丝与铝丝比较,虽然有原材料价格高,价格变动幅度大,生产技术性高等缺点,但金丝更适合于封装工艺,能降低1个左右半导体器件的封装费用,因此半导体器件的生产中仍以使用金丝为主,键合金丝的封装方式如图1所示.图1键合金丝的封装方式键合金丝是集成电路封装业的四大重要结构材料之一,除用于集成电路,大规模集成电路外,键合金丝也作为内引线广泛用于二极管,三极管等半导体分立器件或元器件中.1金是键合丝的首选材料金,原子序数为79,原子量197,晶体结构为面心立方,原子直径0,2873nm,熔点1064,熔化热为16.1eal/g,密度在2
3、0时为19.32g/em.金具有化学性质稳定,抗氧化性强的特点,不与酸和碱发生反应;延展性好,易加工;在大气中熔融时能形成稳定的球状;含气量少;具有优良的导电性能;在封装时有优良的耐压性能;还有焊点强度高,与铝电极接合性好等优点.由于金具有上述良好的化学,物理,机械性能,成为键合丝的最佳首选材料.一般在银行购得的金的纯度都在99.99或以下,由于金矿种类的差异和冶炼方法的不同,即使都是4N的金,但由于所含的杂质元素不同,其物理特性也存在差异.为了使键台金丝具有稳定的物理特性,还需将4N的金进行提纯达到5N以上,去掉作为键合丝所不希望有的Sn,A1,Fe,Cu,Mn等杂质元素,金的纯度越高,键合
4、时成球的圆度和均匀性就越好.但是fin以上的高纯金在室温加工时出现应变回复,在加工或保存过程中易软化,从而得不到稳定的机械性质.为了获得机械性质稳定的金丝产品,需要1在高纯金中加入微量元素进行调节,通过对微元素种类及数量的控制,不仅可使金丝得到稳定适合的机械性能,也可获得合适的金焊球形状和弓丝弧度.2金丝的键合工艺晶体管等半导体器件的生产步骤为:从厚度为0.10.3ram的铜台金或镍台金带材上截取引线框架材料(外引线);用热压法将高纯si或Ge的半导体元件压在f线框架上所选好的位置,并用导电树脂如银浆料在引线框架表面涂上一层或在其局部镀上一层金;用金丝将半导体元件(电路)与日f线框架键合起来;
5、将键合后的电路进行保护性塑料封装;将引线框架多余的部分去掉,使其成为一条条引线.电极和外部引线的连结方式有热压焊,热声焊和超声波焊接,热压焊如图2所示.图2键合金丝的热压焊方式键合时将金丝穿过键合机劈刀毛细管,到达其端部,利用氢氧焰或电气放电,使金丝的端部熔化,形成线径23倍大的金球,紧接着降下劈刀,在适当的压力和定好的时间内将金球压在电极或芯片上,再将延长的一端压在日f线框架的一点上并将其固定,切断金丝,一个键合周期即告结束.热压焊时,基板加热到300左右,金焊球通过塑性变形破坏铝电极表面的氧化膜而与电极部位接合.由于高温长时问加热易生成劣质的金属问化合物,因此一般一2键合时温度尽量要低,键
6、合最好在短时间内完成.最近,为达到低温焊合和稳定化的目的,在劈刀上加超声波振动,基板温度可下降到150,热压焊及超声波热压焊的键合法成为主流.但是若在及其短的时间内完成的话,虽然金焊球变形,铝氧化膜破坏,但没形成金铝合金层,接合强度大大降低,也会接合不上为了得到合适的接合强度,选定合适的压力,温度和时间这些键合条件是非常重要的3键合金丝的性能要求及其对键合的影响键合金丝必须具备下列特性,才能得到良好的焊接性能:金丝尺寸精度要高且均匀,不弯曲;表面光洁,没有沾污,没有伤痕;具有规定的拉断力和延伸率;焊接时焊点没有波纹;金丝端部熔球时呈一定的正圆球状.为了满足以上要求,从原料到最终成品都需要严格管
7、理和控制.高纯金由于其再结晶温度低,在加工或成品保存过程中性能容易随时问发生变化,不能获得稳定的微细丝f另外,在键合时火焰或电焊枪处的丝材晶粒在再结晶时变大变脆,当金球在250350C之问压焊时弯曲的金丝因太软下垂还会引起芯片与框架之问的短路,因此在5N金中添加各种微量元素井控制在100ppm之内,通过均匀的铸锭加工成微细金丝,以提高其强度和再结晶温度.但微量元素种类和数量需要精确控制和掌握不同的微量元素对金丝的机械性质,焊球的形状,弓丝弧度,尾丝余量都会有不同程度的影响.例如,添加Al,si和Pb则不易成球;Cu,Fe和Mg则易在焊球表面形成氧化膜;Pd和Pt会使焊球表面产生皱折;Pb,A1
8、,Ti,Bi含量高常导致球颈端部断裂;Pb,Sn,In与弧圈下塌有关;Pt,Pd,Ag,Si易产生拖尾现象;另外添加Al,ca,Tl,Be等可提高再结晶温度到400C以上;添加钙还可降低铅的不良影响,与铅形成的化合物熔点可提高到1000以上.金属铍的添加可细化晶粒,除了有利于加工外,还可提高再结晶温度,但加入量多了也会使金丝变硬变脆.高温强度越低的金丝,其弧圈高度须作得越高,且金丝再结晶长度也长,键合时拖尾现象严重,弧圈下塌率也高;对同一型号的金丝而言,直径与弧圈高度成正比关系,增加直径可增大弧圈.4金丝键合时易出现的问韪用金丝热压焊时容易出现的问题主要有拖尾严重,塌丝,球颈部断裂这三种,如图
9、3所示.圉3键合时易出现的三种主要缺陷拖尾现象是金丝在键合时,劈刀端部切断金丝时留有一段尾巴状的丝.键合机调整不好,劈刀摩损,金丝延伸率过大的情况下易发生拖尾现象;劈刀的运动轨迹使金丝弯曲所形成的力超过了金丝的屈服强度是造成塌丝的主要原因,由于劈刀抬得过高而与金丝形成摩擦及对金丝施加的过大的压力都易形成塌丝现象.另外,焊球附近的金丝由于受热而形成再结晶组织,若金丝过硬会造成球颈部折曲也易出现塌丝现象;球颈部断裂一般是由于晶粒粗大化,封装树脂及框架材料的污染造成劈刀的堵塞或磨擦,或由于金丝其它杂质的污染造成的晶界断裂由于金丝的质量对半导体器件封装的成品率有较大影响,因此对金丝的要求也越来越严格.
10、5键合金丝的种类键合金丝直径一般在20.um50.um之间.由于大部分使用在高速自动键合机上,最高速焊机每秒可完成710根键合线,因此要求金丝具有均匀稳定的机械性能和良好的键合性能.为适应自动化规模生产,同时要求每轴丝3的长度在300m,500m或1000m,国外的微细蝗已达到2000m,甚至3000m供货.按国标GB8750-】997g半导体器件键合金丝的规定,键台金丝按用途及性能分为普通金丝(Y),高速金丝(Gs),高温高速金丝(Gw)和特殊用途金筵(Ts).日本的金丝种类,金丝质量和产量在世界上都居首位.日本田中公司的标准与以上分类相对应的是Y型,C型,15A型及特殊型金丝,但日本的标准
11、在拉断力和延伸率范围上要严格一些.根据金丝种类和键台条件的不同,使用时选择金丝的种类很重要当金丝的延伸率一定的时候,高速键合机用金丝与手动键合机用金丝的室温强度是不一样的,按大小顺序GW型最大,Y型最小;金丝的实际使用温度一般在250350,高温强度还是GW型的金丝最大,也是Y型丝最小,延伸率则是Y型丝最大,GW型最小.高速键合机一般使用强度较大的GW型和GS型金丝,Y型丝则主要用于手动键合机.为了满足微细金丝各种各样的性能要求,金丝的分类,还可以弧度高低的不同分为高弧度,中弧度,低弧度金丝.微细金丝的端部熔成球状压焊到半导体电极上,焊球在熔化的时候,球颈附近金丝发生再结晶,形成再结晶领域.产
12、生弧度的时候金丝在比母线软的再结晶领域和母线的界面变形.再结晶领域越长弧度越高,反之再结晶领域越短.弧度越低.6键合金丝的发展方向(1)要适应电子器件高性能,小型化的要求随着科学技术的迅猛发展,半导体器件的性能逐渐提高,半导体电极多腿化以及引线框架的高密度化,要求微细金丝的连结距离适应4Tmm长的跨度,跨度长,金丝的使用量则增加,为了提高效率,这就要求键台工艺中金丝线轴的更换次数要减少,相应地每轴丝的金丝长度就要增加;另外由于高密度化的需求金丝与金丝间的间距变窄,为避免相邻的金蝗接触造成短路,金丝除了长度要求外,还要求不弯曲,比过去的金丝要笔直.半导体器件一方面趋向于高性能,同时也向小型化发展
13、,试图让组件的大小与硅片接近.用于CSP(ChipSizePackage)的金墼与前面说的长跨度金丝正好相反,而是要求跨度极短.短跨度就是通过键合机的精确控制,使金蝗打折形成弯曲,这就要求微细金丝每部分质量均匀一致(2)要满足低成本化的要求半导体器件不仅趋向高性能化,同时还要求降低成本为降低微细金丝的高额费用,金丝的直径越来越细.金丝微细化不仅可降低所需金丝费用,而且有利于高密度封装.根据预测,近年金丝直径将达到15um左右.在过去金丝单纯进行微细化加工,金丝强度会下降,封装时由于树脂流动,会造成金丝变形,与相邻的引丝易接触而形成短路.为l满足微细化的要求,同时避免由于树脂流动而使金丝产生变形
14、,这就要求提高金丝的强度,相应地就需要增加微量元素的添加量,但髓便添加也会由此引起各种问题.因此为了提高微细金丝的强度.需要充分地把握添加元素的溶质效果和最佳的台金设计.(3)要适应高质量,高稳定性的要求随着电子技术的发展,电子设备逐渐多样化,半导体器件的使用环境会复杂得多,这就需要金丝质量好,稳定性高.微细金丝与硅片上的Al电极接台的时候,经高温长时间放置后金丝焊球和铝电极的接合界面会形成金属间化合物.经过的时间不同和扩散速度差异,Au与Al的数量比例会不同,所形成的金属问化合物状态也不一样.特别是在扩散反应的后阶段形成的Au4AI易受封装树脂的腐蚀,接合强度会大大降低.一般微细金丝的纯度要
15、求在4N以上,通过调整微量元素的种类和数量,可以延迟金和铝的相互扩散速度,对抑制Au4A1的形成会起作用.现在能满足更高接台性能要求的2N纯度的金丝经开发已开始进入实用阶段.金台金微细丝随着添加元素种类和数量的增加,金丝焊球的硬度也在增加,这洋在键合的时候就容易jl起硅片的破损,阁此这种金合金微细丝需要更加均匀一致,相应地也需要更严密的台金设计和与过去不同的的生产加工技术.随着微电子技术的迅速发展,集成电路复杂度不断增加,单个芯片内要集成电子系统的大部分功能,这就相应地要求微电子封装0有更高的性能,更多的引线,更密的内引线,更小的尺寸或更大的芯片腔,更夫的热耗散能,更好的电性能,更高的叮靠性,
16、更低的单个引线成本等.总之,微电子技术的不断发展和整机封装密度高,整机小型化r场的强烈需求,正在促进微电子封装数量和产量的不断提高.随着技术的不断发展,对键台金丝的要求也会越来越高.铂族高熔点高强度超合金作为耐热材料在涡轮等中使用的Ni基超台全,在fcc结构的母相中生成立方体状的L12结构析出物,形成双相共格组织.共各界面在高温下可抑制析出物的粗大化,同时具有优良的高温温度以干扰位错移动.但是,Ni基超台金的熔点只有1300C左右,不能在更高的温度下使用,而涡轮的气体温度不断上升以提高热效率,这就需要具有更高耐用温度的材料.如果在以高熔点金属为基体的合金中,形成tcc+L1.共格组织,就有可能
17、获得比Ni基超台全具有更高熔点并兼备高温强度的材料.为此,选择铂族金属中熔点为2720K的Ir和2233K的Rh作为基体金属,Ir,Rh在几个二元系中存在fcc和L12的双相领域,有可能形成fcc+L1共格组织.以铂族金属为基体并形成fcc+L12共格组织的合金定义为高熔点超合金,一种新型的耐热材料.Ir合金的析出物的彤态依晶格的错合常数而定.错合小的(O.3)IrNb合金中生成与Ni基超台金相同的立方体状析出物,形成共格组织.错台大于2:的Ir-Zr合全中生成板状析出物.此外,几种Ir合金在1273K以下显示出与Ni基合金同等程度的高强度,在1473K显示出5001200MPa的高强度,在2073K几种台全的强度无大的差别.组织观察研究发现,在2073K试验后,析出物失去共格性.目前为解决这一问题,进行7固溶强化,晶格常敷错合的控制试验等,此外,还进行j压缩蠕变试验.在1773K和l37MPa的条件下,IrNb合金经3001,时蠕变试验后的变形为1.2,试验后几乎没有出现析出物粗大化等现象,期待其蠕变特性的发现.最近,发表7在1773K具有优良高温强度的材料,如Nb固溶体和Nb5Si3组成的NB一16Si一10Mo一15W台金的强度达到800MPa,TiC分散强化的NBMo台金的强度达到400MPa,并在开发具有更高高温强度的材料.5
