《炬丰科技-半导体工艺》半导体封装中金丝键合技术

书籍:《炬丰科技-半导体工艺》

文章：金丝键合技术在半导体包装中

编号：JFKJ-21-602

作者：炬丰科技

热超声键合；金线键合；铜线键合；银线键合；半导体封装；纸质文献综述

摘要

本文的目的是系统地回顾技术发现，并讨论金线键合在微电子封装中的可行性和未来。它只研究和比较铜、银等其他引线合金的成本、质量和磨损可靠性。文献综述了金、铜或银引线键合的成本和引线选择。本文提出了详细的磨损故障发现、导线选择和成本考虑。此外，简要回顾了金球等替代焊接选项的选择，重点是可靠性，讨论了金线焊接在不久的将来半导体包装中的前景。

从而揭示了为未来微电子封装选择导线类型时的技术考虑。本文在先前文献研究的基础上，讨论了微电子封装中导线类型(金、铜或最新银合金)选择的深入技术回顾和策略。

介绍

以前的金线键合工程发现金(Au)引线键合是半导体封装中最常见的引线合金。但由于金价上涨导致封装成本增加，集成电路供应商已开始寻找成本较低的替代线合金，如铜线。在HTSL，金和铜线一样可靠，但铜线在应力测试(如温度循环)(TC)测试高压锅(PCT))它带来了问题，促进了半导体包装中镀钯铜线的评价。根据最近的研究，铜似乎是可行的，应该取代黄金，这几乎毫无疑问，但这样做的主要驱动力是降低成本。

金线是一种比铜和银线更软的材料。因此，与其它钢丝合金相比，金线拉或剪切试验后的断裂方式略有不同。软金球通常被工具切割，使球的下部和铝(Al)结合金属化物。相比之下，铜球不会经历这种明显的塑性变形，通常会完全切割。在钢丝拉试验中，导线的抗拉强度越大，最大拉力和位移越大。Murali发现金球键主要沿着金球键靠近Al界面铝金属化失效。然而，铝金属化键垫深处发生了铜球键断裂。老化的金球键模式完全不同，即金在金属间层上方断裂。

交替引线键合

在半导体包装中，铜引线键合被称为优于金引线键合的主要替代引线键合选择。部署铜引线键合的巨大兴趣主要是由低成本、高电导率和工具准备驱动的。然而，铜线的耐腐蚀性较低，特别是在部分或无部分HAST相同的金球键合参数不能用于具有硬材料特性的铜球键合。

银最近被评估替代金引线键合的另一种选择。键合过程中输入或输出的超声波能量随时间和频率的变化而变化，包括频率、谐波分量和相应能量的振幅值。结果表明，温度不仅影响粘接强度，还影响传感器系统的超声能量。然而，在FAB在状态下，观察预期硬度；例如，银线的硬度远低于铜，类似于黄金。银线在金属间介电微裂纹方面优于金和铜，因为使用银线时底层结构的变形等于金，比铜线小很多。这允许在有源区域的键合焊盘上改进键合，用于覆盖不太复杂的金属化叠层设备。

半导体封装中的各种成本效益方法

最有效的方法之一是减小导线尺寸。在某些情况下，金线和铜线的布线从1开始.0密耳减少到0.6密耳。但由于导线直径较细，导线电感和电阻下降的电气性能可能是一个问题。因此，正确的电气特性和可靠性评估在实施前至关重要。研究表明，较厚的3.0密耳引线键合时，无间隙形成。因此，具有减小导线尺寸的金线HTSL性能会下降得更快。铜球键的类似测试显示了良好的扩散组合，有限的金属间相形成（或相当缓慢的生长），微尺度没有间隙，因此在高温条件下可能是更好的设计选择(Murali等人，。。这也说明用铜线代替金线在半导体封装中减小线尺寸更为可行。

用其他金属丝合金代替金属合金

取代金线的关键驱动因素是成本效益。包括铜、银或铝线在内的半导体封装有多种键合选择。到目前为止，由于铜键合逐渐取代金线键合最常用的键合线，因为铜键合工艺成本低，工业经验丰富。但铜线部署需要额外的运行成本，如铜线焊机N2套件安装，未完成单元N2储物柜、半成品铜线上的适当储存条件及减少产量。铜线的组装工艺特性也是需要克服的主要技术障碍。

总结和结论

由于其成熟，Au引线键合在半导体封装中仍然很有吸引力，绝对是主流。到目前为止，铜线似乎是最广泛使用的键合线，旨在取代金线键合。然而，铜线部署具有额外的运行成本，如在铜线键合机上安装气体套件储存在未完成单元上N2柜、适当的铜线半使用储存条件等。一般来说，铜线不是半导体封装中的最终键合线解决方案。铜引线键合更适合部署在低引脚半导体包装、闪存包装或高功率设备或微机电系统中，使用大直径键合线和低输入输出。Ag在大规模部署，需要在大规模部署前进行进一步的工程评估和表征。