一种半导体封装用键合金丝的研制

在开发了1种微合金配方的基础上，重点研究了真空熔炼连铸工艺，研制出1种适用于半导体分立器件和集成电路封装的高强度低弧键合金丝。结果表明：1）微合金元素得到有效添加，且分布均匀。2）铸锭组织为粗大柱状晶沿轴向分布。3）机械性能均匀稳定，φ19μm：断裂负荷≥5cN，延伸率2％-6％；φ15μm：断裂负荷≥3cN，延伸率2％-6％。4）与国内外相同规格键合金丝相比，具有更高的强度和更大的熔断电流。

银丝键合烧球参数对键合质量的影响

经键合试验,测试焊线挑断力和焊球推力,观察焊球和电极界面形貌,研究了烧球电流和时间对银键合丝键合质量的影响。结果表明,随烧球电流增大、时间延长,键合无空气焊球(FAB)直径增大;FAB球颈晶粒尺寸是电流和时间共同作用的结果,晶粒尺寸越大、挑断力越小,18 mA-1.0ms烧球所得挑断力最小;在FAB尺寸相近的前提下随烧球电流减小,焊球推力降低,键合过程中电极易受损导致电极材料挤出率增大;高电流-短时间(23 mA-0.6 ms)烧球有利于银丝获得较好的键合质量。

银键合丝力学性能对键合质量的影响

通过调节微合金元素的含量获得3种具有不同力学性能的银键合丝。利用拉伸试验、键合试验、焊线挑断力、焊球推力测试等手段,研究了银键合丝力学性能对键合质量的影响。结果表明,在延伸率相同的条件下,随着微合金元素含量的降低,3种键合丝的断裂负荷降低,初始模量先减小后增大,键合后焊线挑断力和焊球推力均降低,电极金挤出率先减小后增大。银键合丝初始模量较低时在超声和压力的作用下易于变形,焊线内残余应力较低且第二焊点与引线框架结合较好,因此挑断测试时第二焊点与框架材料界面处不易发生脱离,有利于获得更高的键合成功率。

键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究现状

在微电子封装过程中,键合丝被广泛应用,而键合可靠性对于产品的应用性能有着极大的影响,受到人们的广泛关注。键合丝与常用的铝焊盘之间是异质材料,在应用和服役的过程中会在界面上产生金属间化合物(IMC),对器件可靠性产生影响,同时,键合强度也与键合丝和焊盘之间的界面反应联系密切,因此了解键合丝与铝焊盘之间金属间化合物的形成与演变对键合可靠性的影响是有必要的。本文综述了Au/Al、Ag/Al和Cu/Al三种键合界面上金属间化合物的形成与演变的研究现状,并根据目前的应用状况,展望了未来的应用发展前景。

微电子封装金包银复合键合丝的微结构和性能

采用固相复合及大塑性拉拔技术制备了线径0.020 mm的金包银复合键合丝,并利用扫描电子显微镜、双束电子显微镜、单轴拉伸实验、电阻率实验、键合实验、线弧挑断实验及焊球推力实验等对其微结构和性能进行表征。结果表明：金包银复合键合丝的复层达到纳米级尺度,在芯材表面均匀连续覆盖,与芯材的界面结合力好。芯材横截面组织为等轴晶,晶粒细小弥散且内部有大量的板条状平行的退火孪晶。金包银复合键合丝具有较高的抗拉强度（230 MPa）和延伸率（15%）,其强化机制为界面强化和细晶强化,其电性能受表面/界面以及晶界散射的影响而变差。金包银复合键合线弧形稳定,具有较高的键合可靠性,其挑断力（7.79g）与焊球推力（49.7g）均满足微电子封装技术对键合丝的品质要求。

微电子封装用键合金丝替代产品的研究现状

随着电子封装技术的发展,传统键合金丝在性能和价格上已经不具备优势。采用复合和改性等方法可以开发出满足要求的键合金丝替代品。总结了金包银复合键合丝、钯包铜复合键合丝、金合金键合丝和银合金键合丝共4种键合金丝替代产品的性能特点、成分配比、生产技术难点和关键点,介绍了部分典型产品,并对替代产品的发展趋势进行了展望。

镀钯键合铜丝的发展趋势

铜丝表面镀钯是提高抗氧化性进而改善键合性能的有效手段。镀钯键合铜丝具有优异的综合性能,是半导体封装材料连接导线的新型材料。综述了镀钯键合铜丝国内外的发展现状、研究背景、镀钯工艺及金丝、铜丝和镀钯铜丝的比较。

楔焊金丝的强韧性及微观组织

采用双束电子显微镜和单纤维拉力测试仪对楔焊金丝和高纯金丝的微观组织和力学性能进行表征,利用有限元数值计算方法模拟拉拔过程中楔焊金丝的轴向、径向及表面应力分布,探索微量元素对高纯金的强化机制。结果表明:经单向深度拉拔,楔焊金丝的纵截面晶粒呈细长纤维状,沿径向分布均匀,有明显的[111]丝织构,晶粒在拉拔过程中发生了转变,晶界的取向差角度分布呈“双峰”特征,小角度晶界所占比例较高。而高纯金丝的纵截面晶粒沿径向方向差别较大,芯部呈细长纤维状,边缘由细小的等轴晶组成,沿[001]方向择优生长。楔焊金丝比高纯金丝的抗拉强度提高了250 MPa,再结晶温度提高了100℃,最大延伸率达到25%,具有良好的拉伸断裂韧性。楔焊金丝在拉拔过程中沿径向方向应力分布不均匀,芯部的轴向压应力和表面残余应力要低于高纯金丝。镍和镧复合添加到金基体中产生晶格畸变,阻碍位错滑移和晶界滑动,通过固溶强化、细晶强化和加工硬化获得适合楔焊用的强韧性。

金丝的力学特征对球键合的微观组织和性能的影响

用电子背散射衍射仪对具有不同力学特征金丝的微区组织进行表征,采用扫描电镜和光学显微镜观察线弧轮廓、热影响区和焊点形貌,并通过推拉力测试仪测量线弧拉力和焊球剪切力,分析金丝力学特征对球键合质量的影响。结果表明:半硬态1和半硬态2的金丝芯部保持纤维状组织,边缘晶粒为细小的等轴晶,沿径向微区组织形貌有明显差异。打火烧球后形成的热影响区长度短,球颈部的组织有明显的梯度性,键合后弧高较小。软态金丝的组织为粗大的等轴晶,沿径向分布均匀,键合拉力低,易发生滑球现象。半硬态2金丝与焊盘的结合力强,引线键合拉力高,综合键合质量优,是最适合球键合工艺的金丝。

金包银复合键合丝的组织演变及变形行为

采用金相显微镜、双束离子显微镜、高低温拉力仪及纳米压痕仪对不同真应变条件的金包银复合键合丝的组织和力学性能进行表征,研究了金包银复合键合丝的组织结构演变、力学性能及变形行为特点。结果表明:金包银复合键合丝的银合金芯材沿着拉伸方向从胞状树枝晶演变为纤维组织,靠近界面的过渡层始终保持细小的等轴晶或球状晶粒,金包覆层在变形过程中均匀连续。各组分在变形过程中尺寸变化不一致,拟合后的尺寸变化常数与试样直径的变化不成正比。显微硬度、抗拉强度、延伸率均随着变形量的增加而增大。在单轴拉伸过程中,金包银复合键合丝组分之间相互制约,使单向拉应变变为复杂的二维应力状态,交替变化的应力状态可抑制裂纹的形核,提高材料的塑性和韧性。