新一代的金线替代品-AgCoat® Prime镀金银线

2022-09-15 11:51:35 发布于：北京市

贺利氏电子-宋建波　　

摘要：

　　半导体封装技术总体上可以分为两大类: (1) Wire Bonding 引线键合工艺，(2) Non-Wire Bonding 非键合工艺，如FC、Clip bond等封装技术。据相关数据统计，使用引线键合这种传统封装工艺的器件仍占据近70%的出货量。虽然近些年来以WLCSP为代表的先进封装技术发展迅速，但传统的封装工艺不会被完全淘汰，两者会长期共存发展。

　　谈到半导体封装就不得不提到其重要的封装材料—键合线。目前市场上的键合线根据材质分为几大类：金、银、铜、镀钯铜、铝等。这几类线材已得到了广泛应用，这里就不过多赘述，我们就谈谈最新一代的键合线产品—镀金银线。

　　1 键合线市场信息：

　　由于黄金具有出色的抗氧化、抗腐蚀能力，及良好的电特性等优点, 被广泛的用于半导体封装中，早期的封装工艺使用的键合线只有金线。但随着黄金价格的不断攀升，在单颗器件中，金线的成本仅次于基板位居第二位(芯片除外)，成为封装厂降低成本的主要目标。此时，铜线、镀钯铜线、银合金线等低成本的材料先后被推向市场，在各自的应用领域占据了一定市场份额。

下图为不同键合线的市场用量分析和预测：

　　2 为何是镀金银线?

　　目前金线的主要应用领域为存储器、高可靠性汽车电子、高端LED、摄像头模组、军工、航空等，这些领域里的产品由于其产品特点决定了不适合使用铜线、银合金线等低成本线材。

　　为何不能用铜线?由于铜线的硬度比金线高了约25%左右，在一些Pad铝层较薄的产品中，如存储器中Nand Flash有的薄至0.5um，如果打铜线很容易出现Pad Peeling、Crack等问题。相反，有部分产品Pad 铝层较厚，甚至达到4um以上，如果Pad焊点开窗较小，铝层飞溅将是铜线键合的主要挑战。

　　图1.铜与金对比，数据来源：贺利氏电子

　　为何不能用银合金线?由于银离子相对比较活跃，尤其在一些高湿的环境中，会产生银离子迁移的情况。同时，在有电流通过的情况下，银离子迁移速率会提高。银离子迁移会导致两个Pad之间短路，最终导致产品失效，尤其是在一些小间距产品上的挑战很大。此外，银容易与硫反应生成硫化银，从而产生可靠性问题。

　　通常我们在纯银里会参杂一些微量元素以改善上述性能，金(Au)、钯(Pd)常常被选为主要参杂元素。钯会形成氧化钯层从而抑制银离子析出的速度，金会减少自由的银离子的数量从而减少银离子迁移。

　　图2. PdO 层抑制银离子析出，

　　图片来源: Kim Vu, Silver Migration – The Mechanism and Effects on Thick-Film Conductors, Material Science Engineering 234 – Spring 2003.

　　以下是不同纯度的银合金线的银迁移速率的对比。虽然合金会延缓银离子迁移速率，但在一些高湿度的可靠性测试中，银合金线表现出的可靠性还是比金线要差。所以，银合金线通常会在一些低可靠性要求的产品中才有应用。

　　图3.银离子迁移实验，数据来源：贺利氏电子

　　针对以上铜线、银合金线产品的不足之处，镀金银线被认为是目前这部分金线产品理想的替代品。它具体有哪些优势呢，下面会详细介绍一下。

　　3 镀金银线的特点：

　　在介绍产品特性前，先了解一下它的加工过程。顾名思义，镀金银线是在银外面电镀一层金，以下是镀金银线简单的生产工艺流程图：

　　图4. 镀金银线工艺流程图

　　核心材料为Ag加入少量Pd，Pd的添加可有效延缓IMC的生长，从而提高了高温存储的可靠性。

　　图5. 反应机理示意图

　　为何选择Au作为镀层材料?众所周知，金具有非常出色的抗氧化、抗腐蚀的特性，并与很多材料都有着良好的结合效果。因此，电镀一层金，对里面的银起到了很好的保护作用，从而提升了银线的抗硫化和抗腐蚀能力，也改善了银离子迁移的问题，提高了可靠性。

　　但是，由于Au与Ag 的材料属性决定了它们之间易融合从而相互扩散形成固容体，影响Au的表面覆盖率。所以，提高Au在Ag表面的覆盖率对于此类镀金银线的可靠性尤为重要。为了解决这个问题，通常会在Au与Ag之间加入阻碍层以延缓Au扩散到Ag内部。

　　图6. Au &Ag 材料属性对比，数据来源：贺利氏电子

　　FAB抗氯离子腐蚀对比实验结果表明，与银合金线相比，镀金银线有着非常出色的抗氯离子腐蚀的性能，这是因为FAB表面Au包覆性非常好。为何会有如此好的包覆性?这也是得益于阻碍层起到了作用，减少了Au向融化后的银球里扩散。另外，电镀时特殊的添加物会使Au 具有良好的表面张力及润湿性，在FAB 形成时会更多的Au流下来覆盖FAB。