LED 铜线和金线的优缺点

这里有一份铜线和金线的详细试验结果与分析 1 引言 丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术 它是在一定的温度下 作用键合工具劈刀的 压力 并加载超声振动 将引线一端键合在 IC 芯片的金属法层上 另一端键合到引线框架 上或 PCB 便的焊盘上 实现芯片内部电路与外围电路的电连接 由于丝球焊操作方便 灵活 而且焊点牢固 压点面积大 为金属丝直径的 2 5 3 倍 又无方向性 故可实现 高速自动化焊接 1 丝球焊广泛采用金引线 金丝具有电导率大 耐腐蚀 韧性好等优点 广泛应用于集成电 路 铝丝由于存在形球非常困难等问题 只能采用楔键合 主要应用在功率器件 微波器 件和光电器件 随着高密度封装的发展 金丝球焊的缺点将日益突出 同时微电子行业为 降低成本 提高可靠性 必将寻求工艺性能好 价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金 众多研究结果表明铜是金的最佳替代品 2 6 铜丝球焊具有很多优势 1 价格优势 引线键合中使用的各种规格的铜丝 其成本只有金丝的 1 3 1 10 2 电学性能和热学性能 铜的电导率为 0 62 cm 1 比金的电导率 0 42 cm 1 大 同时铜的热导率也高于金 因此在直径相同的条件下铜丝可以承 载更大电流 使得铜引线不仅用于功率器件中 也应用于更小直径引线以适应高密度集成 电路封装 3 机械性能 铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合 4 焊点金属间化合物 对于金引线键合到铝金属化焊盘 对界面组织的显微结构及界 面氧化过程研究较多 其中最让人们关心的是 紫斑 AuAl2 和 白斑 Au2Al 问题 并且因 Au 和 Al 两种元素的扩散速率不同 导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹 降低 了焊点力学性能和电学性能 7 8 对于铜引线键合到铝金属化焊盘 研究的相对较少 Hyoung Joon Kim 等人 9 认为在同等条件下 Cu Al 界面的金属间化合物生长速度比 Au Al 界面的慢 10 倍 因此 铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点 1992 年 8 月 美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去 但目前 铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少 主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点 1 铜容易被氧化 键合工艺不稳定 2 铜的硬度 屈服强度等物理参数高于金和铝 键合时需要施加更大的超声能量和键 合压力 因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏 本文采用热压超声键合的方法 分别实现 Au 引线和 Cu 引线键合到 Al 1 Si 0 5 Cu 金 属化焊盘 对比考察两种焊点在 200 老化过程中的界面组织演变情况 焊点力学性能变 化规律 焊点剪切失效模式和拉伸失效模式 分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和 力学性能的相关关系 2 试验材料及方法 键合设备采用 K S 公司生产的 Nu Tek 丝球焊机 超声频率为 120m 赫兹 铜丝球焊时 增加了一套 Copper Kit 防氧化保护装置 为烧球过程和键合过程提供可靠的还原性气体保 护 95 N25 H2 芯片焊盘为 Al 1 Si 0 5 Cu 金属化层 厚度为 3 m 引线性 能如表 1 所示 采用 DOE 实验对键合参数 主要为超声功率 键合时间 键合压力和预热温度四个参数 进行了优化 同时把能量施加方式做了改进 采用两阶段能量施加方法进行键合 首先在 接触阶段 第一阶段 以较大的键合压力和较低的超声功率共同作用于金属球 FAB 使其发生较大的塑性变形 形成焊点的初步形貌 随之用较低的键合压力和较高超声功率 来完成最后的连接过程 第二阶段 焊点界面结合强度主要取决于第二阶段 本文所采 用的键合参数 如表 2 所示 为加速焊点界面组织演变 在 200 下采用恒温老化炉进行老化实验 老化时间分别为 n2 天 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 为防止焊点在老化过程中被氧化 需 要在老化过程中进行氮气保护 焊点的横截面按照标准的制样过程进行制备 但由于焊点的尺寸原因需要特别精心 首先 采用树脂进行密封 在水砂纸上掩模到 2000 号精度 保证横截面在焊点正中 再采用 1 0 m 粒度的金刚石掩模剂在金丝绒专用布上抛光 HITACHIS 4700 扫描电镜抓取了试 样表面的被散射电子像 EDX 分析界面组成成分 剪切实验和拉伸实验是研究焊点力学性能和失效模式的主要实验方法 采用 Royce 580 测 试仪对各种老化条件下的焊点进行剪切实验和拉伸实验 记录焊点的剪切断裂载荷和拉伸 断裂载荷 剪切实验时 劈刀距离焊盘表面 4 m 以 5 m s 的速度沿水平方向推动焊点 Olympus STM6 光学显微镜观察记录焊点失效模式 对于每个老化条件 分别 48 个焊点 用于剪切实验和拉伸实验 以满足正态分布 3 试验结果与分析 3 1 金 铜丝球焊焊点金属间化合物成长 丝球焊是在一定的温度和压力下 超声作用很短时间内 一般为几十毫秒 完成 而且键 合温度远没有达到金属熔点 原子互扩散来不及进行 因此在键合刚结束时很难形成金属 间化合物 对焊点进行 200 老化 如图 1 所示 金丝球焊焊点老化 1 天形成了约 8 m 厚 的金属间化合物层 EDX 成分分析表明生成的金属间化合物为 Au4Al 为和 Au5AL2 老化 时间 4 天时出现了明显的 Kirkendall 空洞 铜丝球焊焊点生成金属间化合物的速率要比金 丝球焊慢很多 如图 2 所示 在老化 9 天后没有发现明显的金属间化合物 在老化 16 天 时 发现了很薄的 Cu Al 金属间化合物层 由于 Cu 和 Al 在 300 以下固溶度非常小 因 此认为生成的 Cu Al 相是金属间化合物 图 3 显示了老化 121 天时其厚度也不超过 1 m 没有出现 kirkendall 空洞 在温度 压力等外界因素一定的情况下 影响两种元素生成金属间化合物速率的主要因素 有晶格类型 原子尺寸 电负性 原子序数和结合能 Cu 和 Au 都是面心立方晶格 都为 第 IB 族元素 而且结合能相近 但是 Cu 与 Al 原子尺寸差比 Au 与 AL 原子尺寸差大 Cu 和 AL 电负性差较小 导致 Cu Al 生成金属间化合物比 Au Al 生成金属间化合物慢 3 2 金 铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式 图 4 显示了金 铜丝球焊第一焊点 球焊点 剪切断裂载荷老化时间的变化 可以看到 无论对于金球焊点还是铜球焊点 其剪切断裂载荷在很长一段时间内随老化时间增加而增 加 随后剪切断裂载荷下降 这主要与不同老化阶段剪切失效模式不同有关 同时可以发 现 铜球焊点具有比金球焊点更稳定的剪切断裂载荷 并且在未老化及老化一定时间内 铜球焊点的剪切断裂载荷比金球焊点好 老化时间增长后 铜球焊点剪切断裂载荷不如金 球焊点 但此时金球焊点内部出现大量 Kirkendall 空洞及裂纹 导致其电气性能急剧下降 而铜球焊点没有出现空洞及裂纹 其电气性能较好 对于金球焊点 剪切实验共发现了 5 种失效模式 完全剥离 沿球与铝层界面剥离 金 球残留 铝层断裂 球内断裂和弹坑 图 5 显示了金球焊点剪切失效模式随老化时间的变 化 未老化时 Au Al 为还没有形成金属间化合物 剪切失效模式为完全剥离 由于 Au Al 老化过程中很快生成金属间化合物 失效模式在老化初期马上发展为以铝层剥离为主 随 后 铝层消耗完毕 老化中期失效模式以金球残留为主 此时断裂发生在金属间化合物与 金球界面 老化 100 天以后金球内部断裂急剧增加 成为主要失效模式 导致剪切断裂载 荷降低 对于铜球焊点 剪切实验共发现了 4 种失效模式 完全剥离 铜球残留 铝层断裂和弹坑 图 6 显示了铜球焊点剪切失效模式随老化时间的变化 由于铜球焊点 200 时生成金属间 化合物很慢 因此其剪切失效模式在老化较长时间内以完全剥离为主 弹坑随老化进行逐 渐增多 尤其老化 81 天后 应力型弹坑大量增加 导致剪切断裂载荷下降 图 7 所示为 弹坑数量随老化时间变化 需要说明的是弹坑包括应力型弹坑和剪切性弹坑 应力型弹坑 为剪切实验之前就已经存在的缺陷 而剪切型弹坑是由于接头连接强度高 在剪切实验过 程中产生 因此只有应力型弹坑是导致剪切断裂载荷下降的原因 相对金球焊点 铜球焊 点剪切出现弹坑较多 主要是因为铜丝球焊键合压力比金丝球焊大 2 3 金 铜丝球焊拉伸断裂载荷和失效模式 图 8 显示了金 铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间的变化 金丝球焊拉伸断裂载荷随老化 时间变化不大 拉伸断裂模式以第一焊点和中间引线断裂为主 铜丝球焊拉伸断裂载荷随 老化时间不断下降 由于铜的塑性比金差 而且铜丝球焊第二焊点键合压力比金丝球焊大 很多 因此铜丝球焊第二焊点比金丝球焊变形损伤大 铜丝球焊拉伸时容易发生第二焊点 断裂 第二焊点断裂又分为鱼尾处断裂 根部断裂 和焊点剥离 引线和焊盘界面剥离 如图 9 所示 铜丝球焊拉伸在老化初期为鱼尾处断裂 老化 16 天以后焊点剥离逐渐增多 主要是因为铜丝球焊老化过