封装用抗腐蚀高可靠性银合金丝

林 良，臧晓丹

（烟台一诺电子材料有限公司，山东 烟台 264006）

1 综述

键合丝是半导体封装的关键材料之一，作为芯片与外部电路的主要连接材料进行信号传输，起着芯片与外部电路之间的电流传导作用。分立器件引线键合是其封装过程中的一个关键环节。

现有的键合丝主要为金丝和铜丝。金丝的耐腐蚀性强、可靠性高，被广泛用于电子封装行业的中高档产品。但是金丝造价昂贵，为降低封装成本，市场上相继推出了各种金丝的替代品。其中键合铜丝作为金丝的可行性替代材料已经开始应用，但由于其硬度较大，键合时容易导致芯片损伤，且在非气密性封装中易发生腐蚀，直接影响了键合后器件的可靠性，只能应用于一些低端产品。

目前市场上越来越多的银丝开始替代金丝，银丝价格较金丝低，硬度比铜低，银丝的主要优势在于：

（1）较好的导电和导热性能；

（2）较好的抗腐蚀和抗氧化性能（与铜比较）；

（3）仅需氮气保护，比较安全（与铜比较）；

（4）硬度较低（与铜比较）；

（5）成本较低，仅为金的1/5~1/6。

但纯银易发生电子迁移，金属间化合物（IMC）生长难以控制，而且纯银丝较易被腐蚀硫化，导致纯银丝键合的可靠性低，使纯银丝在一些高端使用领域无法替代金丝。

2 抗腐蚀高可靠性银合金丝的制备

目前用于提高金属抗腐蚀性能的方法通常主要有两类：表面处理法[1]和合金化法。表面处理法是指在金属表面镀上一层稳定的金属保护膜，或者利用相应化学反应将金属表面钝化，降低其表面的化学活性；合金化是指在单质金属中加入某些掺杂元素，使其晶界电压降低、钝化而提高其抗腐蚀性。

银丝的表面处理常见的为在其表面进行镀金，镀层可以隔绝银丝与外界环境的接触，从而增强其抗腐蚀性。但由于镀金层与银基底为两种不同金属，二者的熔点和再结晶温度有很大不同，在烧球过程中容易出现偏心、焊点不粘等问题，影响银丝的烧球、成球性质。而对于银丝的合金化，国内外普遍认为，除了与其他贵金属合金外，没有更好的元素可以有效防止银腐蚀反应的发生。贵金属的最低含量要求为Pd 40%，Au 70%，Pt 60%。结合键合丝焊接等其他方面的要求，国外曾经采用的是Ag 30%、Au 70%的金银合金键合丝，但此键合丝成本降低有限，基本没有推广应用。

抗腐蚀高可靠性键合银合金丝，是通过表面钝化和固溶合金两种方式，提高了银合金丝的抗腐蚀性能和可靠性，其创新性可从成分和工艺两方面进行说明。

2.1 成分方面

抗腐蚀高可靠性银合金丝在高纯银材料的基础上，通过多元合金掺杂，实现了银丝的抗腐蚀、高可靠[2]，具体如下：

（1）加入含量分别为1%~10%的Au、Pt、Pd等贵金属元素，与Ag形成连续固熔体，降低Ag的晶界电压，减慢了银丝的电化学腐蚀，增强了抗腐蚀性；

（2）10-6到10-5数量级的Rh、Cu、In、Ce等稀土元素的掺杂，细化了银丝晶粒，增强了机械性能，提高了银丝的高温断裂强度和抗拉强度，同时可延缓与铝焊接时Ag-Al金属间化合物的扩散速度，提高了其可靠性；

（3）加入10-5数量级的Al、Ti，通过合金析出过程在银丝表面形成致密的氧化层，钝化银丝表面，减少硫化、氧化等腐蚀；

（4）加入10-5数量级的Si、Zn、Sn、Be，降低银丝含氧量，提高合金的润湿性和铸造、拉丝性能。

抗腐蚀高可靠性键合银合金丝通过贵金属元素与稀土等其他元素的微量掺杂，实现了银丝抗腐蚀、高可靠性的良好性能，且与传统的金银合金丝相比，贵金属含量低，大大降低了银丝成本。

2.2 工艺方面

（1）抗腐蚀高可靠性银合金丝的金属合金采用的为真空二次中频合金熔炼技术，中频合金[3]是用交流电流流向被卷曲成环状的导体产生磁束，将金属放置其中，磁束就会贯通金属，在磁束自缴的方向产生涡电流，感应电流在涡电流的影响下发热使金属熔化。中频加热合金与普通电阻加热方式相比，加热效率高、速度快，可控性和温度均匀性好，保证了合金的均匀性，二次熔炼进一步提高了合金成分的均匀性，保证了抗腐蚀成分的均匀分布。

图1 中频熔炼炉和中频加热示意图

（2）抗腐蚀高可靠性银合金丝采用定向连续拉铸工艺[4]，在连续熔铸炉中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向，按照要求的结晶取向凝固。采用定向连续拉铸工艺，可获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的金属棒，所有晶粒（包括枝晶）取向接近一个方向，消除了横向晶界，降低横向晶界和位错，减少了原子在晶界附近的扩散和流动，大大提高了拉丝等加工性能，减少了加工硬化，增强了持久性和蠕变抗力，提高了银合金丝的可靠性[5~7]。

几种常用键合丝成分及制造工艺比较如表1所示。从表中可以看出，镀钯铜丝对设备要求较高，需增加镀层设备和保护气装置，且成品率低，综合控制风险大，普通金丝和金银合金丝成本高。抗腐蚀高可靠性银合金丝的制造性能可以接近或达到金丝标准，能够应用于各种集成电路如PBGA、CSP、BGA等高级封装中，以部分或全部取代金丝，降低封装成本。因此抗腐蚀高可靠性银合金丝是较好的选择。

图2 定向连续熔铸炉定向凝固示意图

表1 几种常用键合丝成分及制造工艺比较

3 抗腐蚀高可靠性银合金丝的性能

3.1 机械性能

直径为30 μm的几种键合丝的机械性能比较如图3所示。从图中可以看出，抗腐蚀高可靠性银合金丝的断裂负荷（B/L）和延伸率（E/L）在五种键合丝中只略低于镀钯铜丝，分别大于16.8 gf和13.8%，而应用最多的金丝在五种键合丝中机械性能最低，断裂负荷和延伸率分别为10 gf和5.5%，其次为普通银丝和金银合金丝，断裂负荷和延伸率分别为13 gf、11.5 gf和13.7%、8.5%。从图4可知，金属的断裂力与延伸率为此消彼长的关系，在提高键合丝延伸率的同时，会导致断裂力的下降[8]。同时需要高断裂力和延伸率的银丝，需通过合金掺杂量的控制来实现。因此，要根据键合要求综合考虑调整键合丝的断裂力和延伸率。

图3 几种键合丝的机械性能

图4 金属断裂力与延伸率的关系

3.2 电学性能

图5为几种常见键合丝的电阻率对比图。从图中可以看出，抗腐蚀高可靠性银合金丝的电阻率位于五种常用键合丝的中间值。普通银丝和普通金丝由于合金含量低，电阻率分别为1.67 μΩ·cm和2.41 μΩ·cm，金银合金丝的合金含量最高，电阻率为9.92 μΩ·cm。由图6可知，合金丝的电阻率随着合金量的增大而增大，原因为电阻率的大小取决于金属内电子定向移动所需的能量大小，也就是说电子所受的束缚力的大小。纯金属的晶体排布比较整齐，畸变和缺陷少，合金中由于含有两种及以上元素，晶体的整齐程度比较低，容易产生较多的畸变和缺陷。而晶格畸变和缺陷会对电子的定向运动产生散射。纯金属中电子散射少，可以较为自由地移动，电阻率低；合金中大量的缺陷影响了电子在金属中的运动，电阻率高。而且随着合金量增大，金属间化合物含量增多，使银合金丝的硬度增大，抗拉强度增强。

图5 几种常见键合丝的电阻率

3.3 键合性能

本文中对比的五种键合丝使用的均为球形-楔形焊。第一焊点为球形焊，图7为抗腐蚀高可靠性银合金丝和镀钯铜丝的FAB真球扫描电镜照片。抗腐蚀高可靠性银合金丝烧球时需以氮气作为保护气，从图中可以看出其球形较好，成球表面平整光滑。镀钯铜丝烧球时以95:5的氮氢混合气作为保护气，由于镀层与键合丝基体为两种不同金属，镀层虽在一定程度上隔绝了键合丝基体与外界环境的接触，增强了其抗腐蚀性，但两种金属在烧球过程中的再结晶温度不同，容易造成球型不好。图8为抗腐蚀高可靠性银合金丝第一焊点和第二焊点的扫描电镜照片。

图6 银合金丝合金含量与抗拉强度、电阻率的关系

图7 抗腐蚀高可靠性银合金丝和镀钯铜丝的成球照片

4 抗腐蚀性

银在空气中会与氧缓慢反应生成氧化银（AgO和Ag2O），是对光敏感的灰白色固体，导电，100 ℃时分解为银和氧气，对键合基本没有影响。但银在有氧的环境下易硫化（Ag + H2S + O2= Ag2S + H2O），硫化银呈灰黑色，导电性较差，会影响焊接性能。故银丝键合时建议加氮气保护隔离氧气。除此以外，银很稳定，一般不会被其他离子腐蚀。

图8 抗腐蚀高可靠性银合金丝的第一及第二焊点照片

抗腐蚀高可靠性银合金丝通过掺杂微量合金元素，降低了晶界电压，使银发生钝化，实现了对银基体的电化学保护，消除了引起银电化学腐蚀的原电池反应，提高了银基键合丝的抗腐蚀性。图9为五种键合丝用0.1 mol·L-1的硫化钠水溶液中室温下浸泡200 h的抗腐蚀数据对比图，从图中可以看出，五种键合丝的抗腐蚀性顺序为：普通银丝＜镀钯铜丝＜抗腐蚀高可靠性银合金丝/金银合金丝＜金丝，抗腐蚀高可靠性银合金丝的最高腐蚀速率不超过0.08 mg·cm-2。

图9 五种键合丝的抗腐蚀性能比较

5 可靠性

抗腐蚀高可靠性银合金丝与纯金属键合丝及镀层键合丝相比，具有更好的物理和化学性能，可靠性高，原因为加入的合金元素作为杂质原子，与基体原子相互掺杂无序排列，代替了银原子原本的有序排列，从而降低了银铝间IMC的生长和扩散速度，从而提高了银基键合丝的可靠性。

5.1 挑断力测试

图10为25.4 μm的五种键合丝的挑断力测试结果，测试条件为高温200 ℃储存0~300 h，挑断速率为100 μm·s-1，检测数量50个点。在键合之初，键合丝与芯片、基板间的IMC生长较薄，抗拉强度低。在100 h以内，随着时间的延长，IMC不断生长，抗拉强度增强。超过100 h以后，IMC生长过厚，导致键合丝与芯片、基板间的结合部位变脆，抗拉强度下降。金丝的挑断力测试最初在五种键合丝中最低，但其随时间的延长变化率很低，较为稳定。银丝的硬度较金丝稍高，因此挑断力略高于金丝，但其稳定性差，可靠性不高。金银合金丝和抗腐蚀高可靠性银合金丝的挑断力以及随时间的变化率相近。镀钯铜丝的硬度最高，因此挑断力最高，但其也随时间的变化率较大。图11为抗腐蚀高可靠性银合金丝的挑断力测试前后的显微照片。

图10 五种键合丝的挑断力测试结果

图11 抗腐蚀高可靠性银合金丝的挑断力测试前后显微照片

5.2 剪切力测试

图12为25.4 μm的五种键合丝的剪切力测试结果，测试条件为高温200 ℃储存0~300 h，剪切速率为100 μm·s-1，检测数量50个点。普通金丝的硬度在五种键合丝中最低，与芯片的结合力好，剪切力最高，其次为抗腐蚀高可靠性银合金丝和普通银丝，银丝随时间变化率较大。镀钯铜丝的硬度高，在键合过程中容易造成芯片损伤，形成铝挤出和硅弹坑，与芯片结合差，剪切力最低。

图13为抗腐蚀高可靠性银合金丝的剪切力测试前后的显微照片。

图12 五种键合丝的剪切力测试结果

图13 抗腐蚀高可靠性银合金丝的剪切力测试前后显微照片

6 结论

抗腐蚀高可靠性银合金丝，通过表面钝化和固溶合金两种方式，利用中频合金熔炼和定向连续拉铸技术，提高了银合金丝的机械性能、电学性能、键合性能、抗腐蚀性和可靠性，保证了银合金丝产品的稳定性，解决了普通银丝在使用过程中出现的常见问题，降低了传统的金线键合的成本，且可靠性比镀钯铜线高，具有十分广阔的应用前景。

[1] 韩哲，熊金平，左禹. 铝合金表面化学氧化工艺的研究进展[J]. 电镀与精饰，2008,（11）: 14-18.

[2] 朱建国. 键合金丝的合金化研究动向[J]. 贵金属，2002,23（3）: 57-61.

[3] 张玉英，王永宏，赵国相. 中频感应加热装置的结构及工作原理[J]. 石油矿场机械，2004, 33（4）: 81-82.

[4] 马颖，郝远，阎云峰，等. 热型连铸锌铝合金定向凝固线材的组织分析[J]. 中国有色金属学报，2001, 11（2）: 221-226.

[5] 丁雨田，许广济，郭法文，等. 热型连铸单晶铜的性能[J]. 中国有色金属学报，2003,（5）: 1071-1076.

[6] 许振明，李建国，耿关祥，等. 连续铸造铜单晶棒材的工艺参数与性能[J]. 人工晶体学报，1998, 27（3）: 281-286.

[7] 胡锐，何平，李金山，等. 连铸单晶铜的力学性能及断裂特征[J]. 机械科学与技术，2005,（6）: 716-718.

[8] 彭正全. 提高低碳微合金化中板延伸率的轧制工艺措施[J]. 机械研究与应用，2007, 20（6）: 51-52.