电子封装用导电丝材料及发展

摘要:

介绍了电子封装材料中用于引线键合工艺的几种主要导电丝材料,包括金丝、铜丝和铝丝。对金丝的种类、工艺及国内外市场情况进行了详细介绍;介绍了铜丝的几种主要工艺;并对铝丝进行概括介绍。

在超大规模集成电路(ULSI)中,芯片与外部引线的连接方法中,引线键合是芯片连接的主要技术手段。集成电路引线键合是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接中最通用,也是最简单而有效的一种方式。引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝,是电子封装业4大重要结构材料之一。

1 键合金丝

ULSI引线键合,使用最多的导电丝材料是金丝。而键合金丝是指纯度为99.99%,线径为18～50μm的高纯金合金丝。通常采用球焊-楔焊方式键合,并常用于塑料树脂封装。

键合金丝主要有以下几项特性:(1)机械强度:要求金丝能承受树脂封装时应力的机械强度,具有规定的拉断力和延伸力。(2)成球特性好。(3)接合性:金丝表面无划疵、脏污、尘埃及其他粘附物,使金丝与半导体芯片之间、金丝与引线框架之间有足够的接合强度。(4)作业性:随着金丝长度的加长,要防止卡丝,还要求金丝直径精度要高,表面无卷曲现象。(6)焊接时焊点没有波纹。

为了获得机械性质稳定的金丝产品,需要在高纯金中加入微量元素进行调节,通过对微量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。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,Al,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400℃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。

1.1 键合金丝的种类及工艺

键合金丝直径一般在20～50μm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7～10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,同时要求每轴丝的长度在300,500或1000m,国外的微细丝已达到2000m,甚至3000m供货。

键合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)和特殊用途金丝(TS)。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250～350℃,高温强度还是GW型的金丝最大,Y型最小。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,焊球在熔化的时侯,球颈附近金丝发生再结晶,形成再结晶领域。产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。金丝键合工艺有热压焊(T/C)、热超声焊(T/S)和超声波焊接(U/S)。

1.2 键合金丝的发展方向[2]

目前,键合金丝主要有以下两个发展方向:

(1)通过微量添加元素的复合作用和最佳的合金化元素设计,达到键合金丝的合金化、加工细线化和低成本化以及提高键合强度和在高温振动环境下的使用性能。添加元素主要有5种:Ca,Y,Sm,Be,Ge。5种元素合计添加最佳范围为4.0×10-3%～5.0×10-3%。

(2)针对键合金丝细线化、接合性和降低成本问题,日本田中电子、住友金属矿山和德国的贺利氏等公司相继开发出高性能的Au-Ag,Au-Ni,AuSn,Au-Cu等新型微细合金丝,现在已开始进入推广应用阶段。

1.3 国内外金丝市场需求及生产情况

1.3.1 键合金丝市场预测分析

目前全球IC和分立器件内引线键合金丝用量在35～40t之间,金丝的年销售额达6亿美元之多。

2000年我国IC年需求量在240亿块,中国境内IC封装总量超过40亿块,键合金丝总需求量在4500kg左右,而国内键合金丝生产厂商年供市场金丝量为2500～3000kg左右。2002年中国键合金丝产量为2890kg,同比增长率为45.2%,产值为15100万元,比2001年增长64.1%。2002年中国键合金丝进口量为410kg,主要从日本进口;出口量为200kg,主要出口地为美国、日本和韩国。

从1995年到2002年,中国键合金丝市场一直保持着高速发展的势头,年均增长率达到了38.33%,其中在全球半导体行业不景气的2001年其增长率竟达到了60%。2002年中国键合金丝需求量为3500kg,销售额为16130万元,比2001年的11290万元增长了45.8%。其中集成电路用键合金丝市场需求量为500kg,比2001年增长了60%。

2003年左右国内还将有新的封装企业建成投产,预计IC总封装量可达60亿只左右。届时键合金丝的需求量将达到6000kg。根据我国信息产业部计划,到2005年,全国集成电路产量要达到200亿块,届时键合金丝的需求量将达到15000kg;到2010年,全国集成电路产量将达到500亿块,销售额达到2000亿元左右,占当时世界市场份额的5%,而键合金丝的需求量将达到35000kg。

1.3.2 我国键合金丝产业状况

作为IC4大基础材料之一的键合金丝,在我国的生产起步于70年代,生产单位多为作坊式制造或附属于金银制品生产单位之中,多年来没有专业化IC和分立器件使用的键合金丝生产企业,金丝产品技术水平低,品种少,不能满足IC和分立器件封装业的需求,多年来一直依赖进口。随着分立器件和IC发展,键合金丝用量迅速增长,为满足封装业的需求,国家在“八五”、“九五”中均安排了键合金丝的科技攻关,使国产键合金丝产业有了较快的发展。

在原有金丝生产的基础上,改行扩建形成了引线键合金丝的专业性生产企业和研究单位。国内键合金丝生产已基本形成了国企、合资及生产研究相结合的完整体系。主要的生产研制单位有4家:山东贺利氏招远贵金属材料有限公司、常熟特种电子材料厂、昆明贵金属研究所、北京有色金属与稀土应用研究所等,年供应金丝量约1800kg。山东贺利氏招远贵金属材料有限公司和常熟特种电子材料厂具有一定的生产规模,其余两家为研究单位,具有较强的科研开发能力,其产品技术水平较高,但产量较少。

目前,国内中小规模IC和分立器件用键合金丝已基本解决,而大规模、超大规模IC用键合金丝仍需大量进口。随着我国微电子工业的迅速发展,特别是合资独资的IC封装厂和分立器件封装厂如雨后春笋般涌出,这些封装企业的产能约占我国总产能的80%,技术水平也相对较高,与此相应对金丝的技术要求也很高,如要求用更细的键合丝进行窄间距、长距离的键合。因此对键合金丝的技术指标提出了越来越高的要求,高纯度、高温、超细超长的金丝需求量迅速增长,一半以上的普通键合金丝都将向高密度低弧度键合金丝发展,其发展潜力巨大,前景广阔[3]。

但目前企业对这类金丝的需求绝大部分依靠进口,而国内金丝无论质量或数量都不能满足要求。键合金丝的市场需求导致了国内“高精丝供不应求,普通丝供求平衡”的局面。而日本的金丝种类、质量和产量在世界上均居首位。

预计2005年键合金丝的需求量将达到15000kg,2010年键合金丝的需求量将达到35000kg,而且大部分是高品质的超细金丝[4]。

分析和比较国内键合金丝业的市场、生产情况和发展目标,可以看出国内键合金丝业与工业发达国家及我们的目标还有很大的差距。目前国内键合金丝加工尚未形成大规模、高效化、高品质生产局势。

2 键合铜丝

为了降低封装成本,人们一直在寻找一种较便宜的材料代替昂贵的金丝材料。采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本,而且其互连强度比金丝还要好。它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。第二是晶片线条的尺寸在不断缩小,器件的密度增大、功能增强。这就需要焊区焊点极小的细间距、高引出端数的封装来满足上述要求。第三是器件的工作速度,出现了晶片铝金属化向铜金属化的转变。因为晶片的铜金属化可以使电路密度更高、线条更细。对于高速器件的新型封装设计来说,在封装市场上选择短铜丝键合并且间距小于50μm的铜焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手。表1列出铜作为键合材料用于IC封装中的发展趋势[5]。

2.1 铜丝键合工艺的发展

早在10年前,铜丝球焊工艺就作为一种降低成本的方法应用于晶片上的铝焊区金属化。当时,行业的标准封装形式为18～40个引线的塑料双列直插式封装(塑料DIP),其焊区间距为150～200μm,焊球尺寸为100～125μm,丝焊的长度很难超过3mm。

在大批量、高可靠性的产品中,金丝球焊工艺要比铜丝球焊工艺更稳定更可靠。然而,随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用,当今对封装尺寸和型式都有更高、更新的要求。首先是要求键合丝更细,封装密度更高而成本更低。一般在细间距的高级封装中,引出端达500个,金丝键合长度大于5mm,其封装成本在0.2美元以上。与以前相比,丝焊的价格成为封装中的重要问题。在经过新工艺如新型EFO(电子灭火)、OP2(抗氧化工艺)及MRP(降低模量工艺)的改进后,使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。尤其是在大批量的高引出线、细间距、小焊区的IC封装工艺中,成为替代金丝的最佳键合材料。

超细间距的球形键合工艺是随产品尺寸和线条不断缩小的要求而发展,特别是因为器件的包装密度要求越来越高。当间距尺寸低于60μm时,键合线的直径必须低于25μm。而直径低于25μm的金丝在硬度和强度上都要略差一些,工艺实施也比较困难。但是采用直径低于25μm的铜丝,其硬度比金丝硬度大40%,强度是金丝的两倍,且便于工艺操作,器件产量高。因此,在当今高级微电子封装中,硅晶片上的铝金属化工艺正在朝着铜合金化工艺发展,铜丝键合明显占优势。目前,在晶片上实现铜丝金属化工艺的线条最细可低于0.13μm。

2.2 铜丝键合工艺

当今,全球的IC制造商普遍采用3种金属互连工艺,即:铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺,金丝与晶片铜金属化层的键合工艺以及铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺。近年来第一种工艺用得最为广泛,后两者则是今后的发展方向。

2.2.1 铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺

近年来,人们对铜丝焊、劈刀材料及新型的合金焊丝进行了一些新的工艺研究,克服了铜易氧化及难以焊接的缺陷。采用铜丝键合不但使封装成本下降,更主要的是作为互连材料,铜的物理特性优于金。特别是采用以下3种新工艺,更能确保铜丝键合的稳定性[6,7]。

(1)充惰性气体的EFO工艺:常规用于金丝球焊工艺中的EFO是在形成焊球过程中的一种电火花放电。但对于铜丝球焊来说,在成球的瞬间,放电温度极高,由于剧烈膨胀,气氛瞬时呈真空状态,但这种气氛很快和周围的大气相混合,常造成焊球变形或氧化。氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬,而且不易焊接。新型EFO工艺是在成球过程中增加惰性气体保护功能,即在一个专利悬空管内充入氮气,确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离,以防止焊球氧化,焊球质量极好,焊接工艺比较完善。这种新工艺不需要降低周围气体的含氧量,用通用的氮气即可,因此降低了成本。

(2)OP2工艺:铜丝球焊和金丝球焊的正常焊接温度为175～225℃。在该温度范围内,铜线很快被氧化,如果表面没有保护层就无法焊接。所以需要进行抗氧化的表面处理形成可靠的可焊接表面层。

(3)MRP工艺:丝焊键合工艺的有限元模型的建立为焊接材料和工具图形的效果提供了新的认识。通过金丝焊球和铜丝焊球的变形而产生的压力图形比较,可以看出在铜丝球焊过程中的底层焊盘的力要大一些。同样高度的铜、金焊球,铜焊球的焊接压力大,硬度明显高于金,但比金焊球容易变形。硬度和模量是焊丝的主要参数。为降低其硬度,以前人们是依靠采用纯度高达99.999%或99.9999%的铜,因为纯度低则硬度高。

目前最新的方法是结合专利的焊接和焊丝制造工艺,在降低模量的同时提高了焊接质量和产量。MRP工艺可以提高铜焊点的拉伸强度,一般对于10μm直径的Cu来说,采用MRP的焊接强度可达5～6g,若不采用MRP,焊接强度仅有1～2g。此外,还可改善由细直径焊接头和细间距劈刀产生的铜球焊接点的失效模式。

2.2.2 金丝与晶片铜金属化层的键合工艺

焊区间距降低到55μm以下后,金丝球焊工艺可以代表许多元器件铜金属化互连的整体级别。金是贵金属,不需要球成型的保护性气体。然而未受保护的晶片金属化铜在正常工艺温度下易氧化。因此,在组装工艺即划片、芯片粘结、热固化以及丝焊键合过程中,需要加入特殊的清洗、保护性表面处理和OP2工序中以防金属化铜的氧化。试验证实,铜丝焊球的形状及剪切强度在铜金属化焊盘上与铝金属化焊盘上的质量一样。但是金、铜的扩散率明显低于金-铝。金-铜金属间的化合成型较低,很少出现空洞,因而可靠性高于金-铝。目前,晶片铜焊区上的铝丝球焊工艺做得好的是美国的K&S8028型键合机,焊丝为99.99%的金丝,劈刀为特殊设计,其剪切强度高达0.87～0.93g·cm-2。这种被命名为“OP2-Gold60”和“OP2-Gold50”的工艺能使用户在焊区间距为60和50μm的晶片铜金属化层上实施既实用又可靠的金丝键合工艺。

2.2.3 铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺

元器件的工作速度是铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺发展的主要驱动力。目前,铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺还处于研究阶段,已经于2001年底应用在大批量生产中。该工艺目前只能使用K&S8060楔焊机。铜楔焊是在室温下进行的焊接工艺,而球焊接则需要提高温度来辅助焊球成型。楔焊接的一个主要缺点是其焊接速度低于球焊接。然而,目前较新型的楔焊机在生产率和精确度方面都取得了显著的提高,可达到每秒6根丝的生产速率,而且焊丝间距为50μm。因此,这种铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺能满足最佳功能与特性设计要求。其中:(1)有超长或跨接键合丝的封装设计,焊丝直径小于20μm;(2)金丝直径小于17μm时,其阻抗或电阻特性很难满足一些封装要求,而铜丝的导电率比金丝高,直径也小于金丝;(3)铜丝具有超强的电特性,可满足数据传输速率和射频要求[8]。

总之,铜丝已经很成功地应用于镀Ag/Ni引线、铝金属化层以及铜金属化层的键合中。影响焊接成型以及焊接可靠性的一个关键因素是焊丝与金属化层之间金属间化合物的增长速率。在焊接过程中,焊丝与金属化层的扩散速率越低,金属间化合物的增长速率就越低,而使接触电阻值低,产生的热量就少。而铜丝球焊的金属间渗透明显低于金丝球焊。这就意味着铜、铝界面比金、铝界面的电阻率更低、热量更小、封装寿命长即可靠性更高,更能满足焊接强度的要求。对于金-铝焊点来说,它的剪切表面是在焊球内部,穿过球体。而铜-铝焊点的剪切面是穿过铝焊区,明显比金丝的强度高。铜焊球和金属间界面层都比铝焊区坚硬。

随着微电子封装技术的发展,芯片制造商拟将晶片上的铝金属化层更换为铜,这样不但能提高器件特性,还能降低成本。因为在晶片的铜金属化层上可以直接焊接,而不需要像铝金属化层那样加一层金属焊接层。同时,在工艺上,逐渐将传统的金丝换成铜丝,解决细间距的器件封装。对器件超细间距的要求成为降低焊丝直径的主要驱动力。因而,在今后的微电子封装发展中,铜丝焊将会成为主流技术。铜丝与传统的晶片上铝金属化焊区的键合,可降低成本,使高产、细间距的封装的焊丝更牢固和坚硬。金丝与晶片上铜金属化焊区的键合,需要附加OP2和MRP工艺。铜丝与晶片上铜金属化焊区的键合是解决最细间距封装的最佳方案,该工艺技术是未来的发展方向。

3 键合铝丝(含少量硅或镁的合金丝)

尽管集成电路引线键合中使用最多的引线材料是金丝,并逐渐用铜丝取代金丝,但在陶瓷外壳封装的集成电路中,多采用铝丝(含有少量的硅或镁)作为引线材料。

因为铝丝具有良好的导电导热能力和抗蚀性,易于与集成电路芯片的铝金属化布线形成良好的键合,并且很稳定,也易于拉制成细丝,且价格比金丝便宜得多。再说,它不象金丝那样,容易与芯片上铝金属化布线层形成有害的金属间化合物(紫斑或白斑),降低键合接触强度,增大接触电阻,进而降低电路的可靠性。

在高可靠集成电路中,键合用引线材料多为铝丝,目前其键合方式一般采用超声楔焊-楔焊键合[9]。

集成电路的引线键合,是造成电路失效众多因素中极为重要的一个因素,同时,集成电路引线键合的合格率严重地影响着集成电路封装的合格率。集成电路的引线数越多,封装密度越高。其影响的程度也就越严重。因此,必须不断提高集成电路引线键合的质量,以满足集成电路引线数不断增多,封装密度不断增大,而对封装合格率和可靠性都不断提高的需要。

在陶瓷外壳封装集成电路的引线键合中,每键合一根引线,它有两个键合点和一根引线。一个键合点是引线与集成电路芯片上铝键合区间的键合,一个是引线与管壳上金金属化布线间的键合,以及两个键合点间的引线。陶瓷外壳封装集成电路的引线键合如图1所示[10]。

目前硅铝丝主要有日本田中公司(新加坡)生产的硅铝丝,该公司生产的硅铝丝基本能满足应用。国产硅铝丝的主要问题是硬度不一,表面氧化层过厚等,不能获得高质量的键合引线。由于工艺条件限制,国内目前尚无大批量生产的工厂。

电子封装用引线键合材料是电子材料的4大基础结构材料之一,随着电子工业的蓬勃发展,引线键合材料的发展也必定会日新月异,并将会给电子工业以极大的促进。

审核编辑 ：李倩