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引線(xiàn)鍵合的低成本分析
Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（總第160期）May.2008引線(xiàn)鍵合的低成本解決方案Jong-Soo Cho,Jeong-Tak,Moon(R&D,MK Electron Co.,Ltd.Korea,449-812)摘要:最近,金價(jià)不斷上漲突破了35.4美元/g,同時(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)品特別是存儲(chǔ)器類(lèi)產(chǎn)品的價(jià)格卻不斷下降。目前半導(dǎo)體行業(yè)最大的挑戰(zhàn)是如何控制并降低成本。為了降低引線(xiàn)鍵合的原材料成本,近年來(lái)金-銀合金引線(xiàn)已被開(kāi)始用來(lái)替代金線(xiàn)鍵合。但是,由于金-銀合金引線(xiàn)鍵合的器件在測(cè)試中出現(xiàn)的故障,不能用于在高濕度環(huán)境下進(jìn)行可靠性測(cè)試(例如PCT測(cè)試)的器件,使其在應(yīng)用上受到限制。研究了傳統(tǒng)Au-Ag合金引線(xiàn)鍵合的電子器件在PCT測(cè)試時(shí)所產(chǎn)生的故障機(jī)理和鈀元素的作用,通過(guò)在Au-Ag合金引線(xiàn)中摻入(Pd)鈀元素來(lái)阻止在高濕度環(huán)境下進(jìn)行可靠性測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的故障。關(guān)鍵詞:Au-Ag合金引線(xiàn);PCT(高壓爐測(cè)試);潮濕度;可靠性
1介紹
金被廣泛的作為半導(dǎo)體封裝的引線(xiàn)鍵合。然而，為了降低半導(dǎo)體工業(yè)的成本，用其它廉價(jià)的金屬線(xiàn)替代金線(xiàn)成為一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。金和銀能純粹的溶解，使高容量的銀作為合金成分加入金成為可能，因此可以節(jié)約半導(dǎo)體封裝中的金屬線(xiàn)成本。這個(gè)眾所周知，然而，金銀球與鋁墊之間連接的退化是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。濕度可靠性問(wèn)題在金銀合金中起的障礙作用給半導(dǎo)體封裝減低成本帶來(lái)了困難。有兩個(gè)問(wèn)題需要考慮：（1）為什么金銀球與鋁材料的粘合能力在濕度測(cè)試中如此脆弱。（2）在金銀合金線(xiàn)中用Pd元素解決濕度可靠性中未實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。
2討論與結(jié)果
2.1 FAB的三種形狀：第一種連接、第二種連接、環(huán)狀連接
電子掃描顯微鏡圖象監(jiān)測(cè)查出在圖1中不論是自由氣球連接第一種連接、第二類(lèi)針腳連接還是環(huán)狀都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。結(jié)果是，我們需要的是在所有情況下都不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的類(lèi)型。
2.2高壓爐測(cè)試后的連接能力
4N的金、含15%的銀的金、含15%銀和5%鈀的金三種金屬線(xiàn)（直徑均為20微米）以球形方式連接到鋁上面。使這三種樣例作用在JESD 22-A102，高壓爐條件下（121攝氏度，204.9X10（-3）兆帕100%RH）
在圖2中顯示了垂直線(xiàn)描述了連接拉力測(cè)試水平，水平線(xiàn)描述了高壓爐測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。查看圖表可以看出含銀15%的金的的金屬線(xiàn)和純金的金屬線(xiàn)對(duì)比高壓爐測(cè)試24小時(shí)后連接拉力水平大幅度下降。再次進(jìn)行對(duì)比，金含量為99.99%的金屬線(xiàn)和含！金中含15%銀5%鈀的金屬線(xiàn)，同樣條件下，他們保持了原來(lái)的連接拉力水平。
因此，我們知道鈀元素可以減緩含15%銀的金線(xiàn)在高壓爐測(cè)試中連接力的降低。
圖3顯示了球形扭轉(zhuǎn)測(cè)試結(jié)果，在含銀15%的金線(xiàn)中，球形扭轉(zhuǎn)測(cè)試水平和圖2中的連接拉力測(cè)試水平相比較下降緩慢。但總體趨勢(shì)和圖2中的連接拉力測(cè)試水平幾乎相似。
圖4反映出了含銀15%金線(xiàn)與鋁墊分界面經(jīng)過(guò)高壓爐測(cè)試后的電子發(fā)射掃描顯微鏡圖像，查看圖片可以發(fā)現(xiàn)在鋁墊上有金屬化合復(fù)合物。這就是觀測(cè)到的黑色線(xiàn)條，含銀15%的金線(xiàn)與金銀鋁復(fù)合物之間的微小裂縫。
圖5顯示了這條線(xiàn)沿著電子發(fā)射掃描顯微鏡圖像中的紅線(xiàn)經(jīng)過(guò)電子數(shù)據(jù)測(cè)試后的掃描分析，分析還顯示了氧、鋁、金、銀四種元素。作為一個(gè)顯著的結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)氧氣高峰和鋁高峰周?chē)橇芽p較多的區(qū)域。從裂縫周?chē)匿X氧化物，我們可以猜想裂縫是由鋁氧化物引起的。氧化層與裂縫發(fā)生的原因是電流腐蝕，即銀的移動(dòng)現(xiàn)象。
圖6顯示了含銀15%的金線(xiàn)之間經(jīng)過(guò)電子射線(xiàn)顯微鏡圖像與經(jīng)過(guò)電子能量損失光譜儀繪制的氧的圖像的分界面。觀測(cè)到IMC的厚度在50至100納米之間，裂縫在10至30納米之間。
經(jīng)過(guò)電子能量損失光譜儀分繪制的氧元素都分布在裂縫的區(qū)域，因此裂縫是由腐蝕導(dǎo)致這個(gè)結(jié)論再次被證實(shí)。
圖7顯示了電子射線(xiàn)顯微鏡和電子能量損失光譜儀分析鈀元素對(duì)含銀15%鈀5%的金線(xiàn)球與鋁材料分界面經(jīng)過(guò)高壓爐96小時(shí)測(cè)試后的影響。
查看電子射線(xiàn)顯微鏡和電子能量損失光譜儀圖像可以發(fā)現(xiàn)更稀少的金屬?gòu)?fù)合物還有更少氧與沒(méi)有鈀元素之間的比較。測(cè)量得到IMC的厚度在20至30納米之間，并且在電子射線(xiàn)顯微鏡圖像中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫。
因此，在含銀15%的金線(xiàn)中加入鈀會(huì)使形成的金屬氧化復(fù)合物和氧更少，并且沒(méi)有裂縫。
3 結(jié)論
3.1含銀15%的金線(xiàn)連接到鋁墊的情況
（1）高壓爐測(cè)試使得連接強(qiáng)度大幅下降
（2）鋁氧化層的形成會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，導(dǎo)致連接能力下降
（3）氧化物形成與裂縫產(chǎn)生的原因是電流腐蝕。在高溫和高濕度條件下，銀會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)現(xiàn)象
3.2在含銀15%d的金線(xiàn)中加入鈀的情況
（1）在含銀15%的金線(xiàn)中加入鈀會(huì)改善連接能力的在高壓爐測(cè)試后的大幅下降
（2）加入鈀使得IMC的產(chǎn)生更少，并且可以防止氧化層的形成