有机包覆抗硫化腐蚀的银键合丝研究

徐豪杰，叶志镇，潘新花，薛子夜，赵义东，谢海涛

（1.浙江大学材料科学与工程学院，杭州310000；2.浙江佳博科技股份有限公司，浙江乐清325600）

1 引言

键合丝属于半导体封装材料，用于实现半导体芯片与引脚的电气连接，起着导电和信号传输的作用[1]。键合丝按组份分类有金丝、铜丝、银丝和铝丝。与金丝相比，银丝具有相似的力学性能、更优异的电热性能和金属光泽，且成本为金丝的1/4[2-3]；此外，银丝的抗氧化性比铜丝好，比铜丝和铝丝的键合可靠性都好[4]。因此，银丝键合在发光二极管（LED）封装和集成电路（IC）封装中的应用广泛。

银丝易受环境中C、O、S的腐蚀。半导体设备的微型化、模块化和高度集成化的需求使得引线键合选用越来越细的线径。但是，细线的比表面积更大，更易腐蚀。因此，细线径的银丝缩短了储存和使用寿命，增加了生产和储存成本，还会严重影响封装的键合性和导电性[5-6]。目前，提高银丝抗腐蚀性的方法主要是增加金属防护层，如金防护层[7]。该方法可以降低银丝与环境中的C、O、S等接触，提高了抗腐蚀性。但是，该方法增加了电镀金属保护层的工艺，提高了银丝制作成本，还会由于镀层厚度和均匀性而严重影响烧球（FAB）的形成和键合可靠性[8-9]。

在金属防护行业中，分子膜自组装技术具有工艺简单可控、环保低污染、金属光泽外观良好和阻抗变化率小等优点，引起了引线键合行业的关注[10]。其中，银可以与含硫键（十六硫醇、十八硫醇等）或氮键（苯并三氮唑、苯并四氮唑等）的有机物小分子反应，利用生成的Ag-S或Ag-N配位键达到有机物自组装成膜。有机物膜包覆在银的外面，进而隔绝环境中含C、O、S的自由分子与Ag接触，有效提高银的抗腐蚀性[11-13]。本研究将分子膜自组装技术运用于银丝制备，通过表面包覆有机膜的方法提升了银丝的抗硫化腐蚀性能，在不改变其他常规性能的前提下保证了稳定的键合性能。

2 制备与实验

本实验使用了两款直径为20 μm、含银量99.9 wt%的银键合丝，均由浙江佳博科技股份有限公司制备。其中，一款AW线不含有机包覆膜，另一款OCA线表面包覆一层有机膜（一种由含S、N的有机物自组装而成，原液购于World Metal Co.,Ltd.Japan）。相较于AW线，OCA线在工艺上仅多了有机包覆的过程，其余工艺流程和参数保持一致。

进行AW线和OCA线抗硫化腐蚀试验，分别将AW线和OCA线置于2.5 L含6 g硫粉的密闭烧瓶中，在80℃烘箱内反应30 min、60 min和120 min。用扫描电子显微镜（Hitachi S-4800）观察键合丝表面形貌。用力学试验机（YG001A-1）测取键合丝的断裂负载和伸长率，试样数为10个，试样长度为100 mm，拉伸速度为10 mm/min。再进行电流-电压测试，使用二探针法（Keithley2400电源和Keithley2100万用表）测长度为50 mm的键合丝的低电流电阻（0~0.1 A）；继而进行熔断电流测试，50 mm长度键合丝从0 A开始加载电流，电流差为50 mA，键合丝熔断时得到临界熔断电流。

在键合机（K&S Connxps）上进行引线键合，过程中未启用95%N2和5%H2保护气体，键合参数均相同。烧球打在1 μm镀金电极片上且二极均为球型键合，采用扫描电子显微镜观察键合点和键合丝形貌，采用键合拉力仪器（DAGE-4000）分别测取10个键合拉力数值，采用光学显微镜（BD-2030A）观察烧球样貌。

3 结果与讨论

3.1 抗硫化腐蚀性

不同硫化时间的AW线和OCA线的实物如图1所示。可以观察到，随着硫化时间的增加，AW线硫化发黑的程度比OCA线更严重，硫化120 min的OCA线依然拥有银白光泽。AW线和OCA线的表面形貌如图2所示，原始的AW线和OCA线表面都可以看到金属银晶粒，由于OCA线表面包覆了有机膜，其表面晶粒模糊。经过120 min的硫化后，AW线和OCA线表面生成了灰黑色的Ag2S。比较图2(b)(c)(f)和(h)，AW线表面发生全面硫化腐蚀，形成空隙；OCA线存在大面积光洁表面，且Ag2S只在OCA线表面局部覆盖。由此可见，由于表面有机包覆的作用，OCA线获得了更好的抗硫腐蚀能力。

图1 AW线（左侧）和OCA线（右侧）不同硫化时间的实物图

AW线和OCA线不同硫化时间的断裂负载和伸长率如图3所示，不同硫化时间的AW线和OCA线的断裂负载（BL）非常接近，而伸长率（EL）符合半导体封装用键合银丝行业标准（YS/T 1105）内3%的伸长率波动范围。由此判断出，在80℃密闭的环境中，AW线和OCA线未损害内部结构和机械性能。

图3 AW线和OCA线不同硫化时间的断裂负载和伸长率

3.2 电学性能

图4 显示了AW线和OCA线硫化过程中的电学性能变化，考虑到焦耳热和电迁移对银键合丝电阻的影响，低电流条件下能准确反映硫化腐蚀对银键合丝电学性能的影响。随着硫化时间从0 min增加到120 min，AW线和OCA线表面会有不同程度的Ag2S生成，相应的低电流电阻也会增加。值得注意的是，硫化120min OCA线的低电流电阻变化量等于硫化60 min AW线的低电流电阻变化量。结合图2中AW线和OCA线硫化120 min后表面形貌的区别，低电流电阻变化说明有机膜包覆在银键合丝上能有效保护键合丝表面从而抵抗硫的腐蚀，保持银键合丝的低电流电阻特性，减小硫化腐蚀对键合丝电学性能的影响。

图2 AW线和OCA线的表面形貌

图4 AW线和OCA线不同硫化时间的电流-电压曲线和电阻

图5 所示为大电流情况下AW线和OCA线硫化前后的电流-电压曲线。原始的AW线和原始的OCA线电流-电压曲线几乎重合，都受到电迁移和焦耳热作用导致键合丝电阻随电流增加而上升。硫化120 min的AW线和硫化120 min的OCA线电流-电压曲线几乎重合，同样受到了电迁移和焦耳热的作用导致电阻增加。与此同时，在0.45~0.50 A电流下，银键合丝表面温度极高，表面的Ag2S将略微增加银键合丝的电导[14]。随着电流增加到0.5A，硫化前后的AW线和OCA线都发生熔断，获得临界熔断电流（CFC）。结合图2的表面形貌和图3的BL/EL变化，无论是AW线还是OCA线，在不受其他外力的影响下，腐蚀产生的硫化物主要集中在表面，这对金属表面光泽和电学性能产生了严重影响。

图5 原始和硫化120 min的AW线和OCA线熔断电流-电压曲线

3.3 键合性能

AW线和OCA线进行引线键合后硫化120 min，第一键合点和中间线材区域形貌如图6所示。可以看出，在热影响区（HAZ）处由于发生弯曲而产生剪切力，导致硫腐蚀形成的空隙不断扩大，硫化物的脆性效果表现显著，硫化腐蚀不断向内消耗键合丝中的Ag原子。引线键合后AW线和OCA线不同硫化时间的键合拉力如图7所示，原始的AW线和OCA线键合拉力为11.64 g和11.61 g，硫化120 min后，键合拉力降至9.97 g和10.08 g。由于OCA线表面包覆的有机物会在FAB形成时高温分解，因而失去键合后对键合点及热影响区的抗腐蚀保护。但是，参考图6（b）（d），在其他区域上有机膜依然能减少硫与银接触反应形成的Ag2S晶体及腐蚀空隙。

图6 引线键合后硫化120 min键合点和表面形貌

图7 引线键合后AW线和OCA线不同硫化时间的键合拉力

将原始的AW线和OCA线与硫化120 min的AW线和OCA线分别进行100次引线键合，键合结果如表1所示，可以发现即使在不充95%N2和5%H2保护气体的情况下，原始的AW线和OCA线都能完成有效的引线键合，只出现少数的键合点偏心现象；而硫化120 min的AW线和OCA线因为表面有不同程度的Ag2S硫化物生成，引线键合过程中会因烧球无法与焊盘键合、热影响区结构断裂等问题而中断，并且在瓷嘴对烧球进行修正之后，依然出现较多的键合点偏心现象。但是相比于AW线的裸线状态，OCA线表面包覆的有机物减少Ag2S的形成进而提高了引线键合的稳定性。把FAB烧球单独取出来用光学显微镜观察，形貌如图8所示。可以看出，不充95%N2和5%H2保护气体的情况下，原始的AW线和OCA线的FAB均呈现顶部饱满的高尔夫球棒状，在瓷嘴对烧球进行修正后就能完成稳定的引线键合。由于表面Ag2S的存在，阻碍了烧球过程中能量与物质的传递，导致烧球形状严重偏离顶部饱满的高尔夫球棒状，甚至出现没有热影响区的状况。相对于硫化120 min的AW线，硫化120 min的OCA线表面的硫化物更少，出现烧球无法与焊盘键合、热影响区结构断裂以及键合点偏心等现象更少。由此分析，有机膜在银键合丝上的包覆能有效保护键合丝表面并保证稳定的键合性能。

图8 原始和硫化120 min的AW线和OCA线的烧球形状

表1 硫化前后的AW线和OCA线100次引线键合试验未键合次数和偏心个数

4 结论

本文利用Ag与有机小分子配位反应，在银丝表面自组装包覆成膜，制备获得有机包覆的OCA银键合丝。抗硫化腐蚀试验中，Ag与S反应生成的Ag2S分布在键合丝的表面，对键合丝的断裂负载、伸长率及临界熔断电流的影响微小。但是，由于键合丝发生弯曲，硫化对键合拉力的影响较大。相较于AW线，OCA线表面生成的Ag2S明显减少，具有良好的抗硫化腐蚀能力，保障了银丝的金属光泽、低电阻性能和键合性能稳定。本研究为解决银键合丝的抗腐蚀问题提供了一种可行方案，后续将对有机包覆膜进行深入研究。