高可靠性鍵合金線-RelMax介紹

　　摘要：

　　根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，半導(dǎo)體器件通常可以分為4大類：消費(fèi)類電子、工業(yè)級(jí)電子、汽車電子、軍工產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上消費(fèi)類電子及工業(yè)級(jí)電子以銅線或鍍鈀銅線、金鈀銅線為主，汽車電子仍以金線為主。隨著汽車市場(chǎng)的復(fù)蘇尤其是新能源車市場(chǎng)的火熱，對(duì)電子元器件的需求量也是與日俱增，對(duì)其可靠性要求也是越來(lái)越高。

　　所謂“車規(guī)級(jí)元器件”需要通過(guò)AEC-Q認(rèn)證，例如AEC-Q100適用于IC產(chǎn)品，AEC-Q101適用于分立器件，AEC-Q102適用于光電子器件等。其中，AEC-Q100 又包含4個(gè)等級(jí)，G0最高，G3最低，以下表中列出了不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的具體可靠性項(xiàng)目及條件：

　　表1. AVR181: Automotive Grade 0 - PCB and Assembly Recommendations

　　隨著汽車電子器件對(duì)高可靠性的需求，相應(yīng)對(duì)其內(nèi)部的封裝材料也提出了更高的要求。在此，我們就高可靠性金線的特性做一些分享，看其是如何滿足高可靠性器件的需求。

　　在介紹產(chǎn)品前，我們先來(lái)了解一些金線的關(guān)鍵特性，其中一個(gè)非常關(guān)鍵的特性就是熱影響區(qū)。

圖1. 金線的關(guān)鍵特性描述

　　熱影響區(qū)，以下簡(jiǎn)稱HAZ：在燒球的過(guò)程中高溫會(huì)熔化金線形成FAB，在這一過(guò)程中熱會(huì)沿著線的方向傳導(dǎo)，使靠近FAB區(qū)域的這段金線的晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，變得粗大，線變軟。這部分區(qū)域即為HAZ，長(zhǎng)度通常在幾十到幾百微米。HAZ是金線非常重要的一個(gè)特性，它直接影響線材的線弧能力，通常HAZ越短的金線可以做的線弧高度更低，適合低弧、長(zhǎng)弧應(yīng)用。

圖2. 熱影響區(qū)的描述

　　從線材角度來(lái)講，不同摻雜類型和含量會(huì)影響HAZ的長(zhǎng)度。

　　為何摻雜類型會(huì)影響HAZ的形成呢？主要原因是不同摻雜元素的再結(jié)晶溫度不同，例如Ca摻雜會(huì)使球頸部的再結(jié)晶溫度大于300°C以上。因此，即使是4N金線，由于摻雜類型的不同會(huì)存在不同長(zhǎng)度的HAZ。

　　以下表2中列出了HET部分金線型號(hào)HAZ的長(zhǎng)度。通過(guò)以下數(shù)據(jù)可以看出，在不同F(xiàn)AB尺寸的條件下HAZ長(zhǎng)度會(huì)略有差異，通常FAB尺寸大，HAZ會(huì)更長(zhǎng)一些，其主要原因是在燒大球時(shí)，F(xiàn)AB需要更大的熱量來(lái)融化線材，大熱量會(huì)使球頸部變化更顯著，會(huì)增加HAZ的長(zhǎng)度。所以，如果在WB過(guò)程中出現(xiàn)了球頸部裂紋的問(wèn)題，可以考慮適當(dāng)減小燒球參數(shù)來(lái)改善頸部的強(qiáng)度。

表2. 不同型號(hào)的金線HAZ長(zhǎng)度對(duì)比

　　第一焊點(diǎn)：它的外形、硬度、合金元素等會(huì)影響與Pad表面的結(jié)合情況，尤其影響可靠性。

　　以下表3中是常用線材與Al Pad結(jié)合后的可靠性表現(xiàn)，其中Au/Al IMC生長(zhǎng)速率較快，這主要取決于材料的原子價(jià)態(tài)、原子半徑、擴(kuò)散率等因素。如果一種原子比另外一種擴(kuò)散的更快，它將在后面留下空缺，這些空缺聚集在一起就形成了柯肯達(dá)爾空洞，此類空洞連接到一起就會(huì)使球脫落，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)路失效。

　　圖3所示 Au/Al 150℃存儲(chǔ)1000小時(shí)后IMC層照片，所以如果希望提升金線高溫存儲(chǔ)的能力，就需要延緩Au/Al IMC生長(zhǎng)的速率。

表3. 不同材料與Al 結(jié)合后的可靠性表現(xiàn)

　　圖3. Au與Al IMC形成柯肯達(dá)爾空洞（150℃/1000h）

　　針對(duì)這種情況，HET有一款很好的產(chǎn)品推薦給客戶，產(chǎn)品名稱：

　　化學(xué)成份

　　金含量：99%

　　產(chǎn)品基本特征描述：

　　· 出色的第一焊點(diǎn)可靠性。

　　· 無(wú)鹵，適合框架類和基板類產(chǎn)品的應(yīng)用。

　　· FAB軟，同軸度較好，特別適合小間距產(chǎn)品。

　　· 細(xì)線強(qiáng)度高，適合于降低線徑的項(xiàng)目。

　　我們從FAB硬度、第一焊點(diǎn)球形、第二焊點(diǎn)工藝窗口、高溫存儲(chǔ)的能力等方面來(lái)全面了解一下這款金線。

　　FAB硬度：RelMax 會(huì)比同類型的金線軟，對(duì)Pad沖擊力更小，會(huì)有力的保護(hù)Pad不受損傷。

圖4. FAB硬度對(duì)比（15μm線徑，25μm FAB）

　　第一焊點(diǎn)球形：RelMax同軸度會(huì)更好，不容易出現(xiàn)偏心球等異常，特別適合Pad開(kāi)窗比較小的產(chǎn)品應(yīng)用。

圖5. 球形同軸度對(duì)比

　　第二焊點(diǎn)工藝窗口：RelMax的工藝窗口明顯更大，這里的FP2為HET另外一款2N金線，其硬度較高，導(dǎo)致第二焊點(diǎn)工藝窗口較小。

圖6. 第二焊點(diǎn)工藝窗口對(duì)比（1mil金線，BGA）

　　高溫存儲(chǔ)可靠性：高溫存儲(chǔ)后進(jìn)行拉力測(cè)試，測(cè)試部位為球頸部，結(jié)果顯示0.8mil 175℃ 10000h沒(méi)有出現(xiàn)球脫落的情況；另外一組0.6mil 200℃ 5000h同樣沒(méi)有問(wèn)題。

　　圖7. 拉力測(cè)試（0.8mil，BGA 1μm AlSi1%Cu0.5% Pad）

圖8. 175℃存儲(chǔ)1000h IMC

　　圖9. 拉力測(cè)試（0.6mil，BGA 1μm AlSi1%Cu0.5% Pad）

圖10. 相對(duì)穩(wěn)定的IMC，5000h只有輕微空洞

　　RelMax金線為何能提高可靠性？主要是其摻雜中富含Pd元素，在高溫存儲(chǔ)階段，隨時(shí)間的推移會(huì)形成Pd阻礙層，延緩Au /Al之間的擴(kuò)散速率，抑制了Au向Au/Al IMC層繼續(xù)擴(kuò)散，從而提升了高溫存儲(chǔ)的能力。參考以下EPMA的分析結(jié)果，可以清楚的看到Pd層分布在Au與AuAl化合物中間。

圖11. EPMA分析，檢測(cè)到Pd層的分布

圖12. Pd阻礙層作用（示意圖）

　　總結(jié)：在什么樣的應(yīng)用條件下可以選RelMax

　　· 小間距/超小間距的高可靠性產(chǎn)品應(yīng)用

　　· 需要降低線徑同時(shí)兼顧高可靠性的產(chǎn)品。

　　· Low K 和芯片敏感的產(chǎn)品應(yīng)用。

　　· 適合4N金線轉(zhuǎn)換2N金線的項(xiàng)目。

　　· 改善2N金線的MTBA。

　　目前這款產(chǎn)品已經(jīng)在業(yè)界穩(wěn)定量產(chǎn)使用，歡迎大家咨詢。賀利氏電子依托其強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力及持續(xù)不斷的研發(fā)投入，定會(huì)為廣大客戶提供更加卓越的鍵合線產(chǎn)品，助力傳統(tǒng)封裝持續(xù)發(fā)展！