語音芯片IC封裝中Ag線和Cu線的比較

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深圳市環(huán)芯半導(dǎo)體有限公司語音芯片主要封裝打線材料為銀合金線材料

盡管倒裝芯片和一些其他的3D封裝發(fā)展迅猛，線鍵合仍是IC封裝中最常用的互連手段。作為線鍵合產(chǎn)業(yè)中主要的裝配材料，金線因其高導(dǎo)電率和極佳的可焊性長(zhǎng)期以來一直用于存儲(chǔ)器件中。但Au的價(jià)格是10年前的5倍以上（圖1）。

Cu線是現(xiàn)今降低引線成本最普遍的解決方法。不過，高硬度限制了它的應(yīng)用。比較之下，Ag線的硬度與Au線更為相似，它將有利于減少焊盤的損傷。此外，Ag的價(jià)格比Au低得多（見圖2），這對(duì)節(jié)約成本有重大影響。但Ag-Al系界面腐蝕意味著對(duì)可靠性有嚴(yán)重危害。幸好，合金化Ag線技術(shù)的開發(fā)提高了可靠性性能。所以，Ag合金線可為Au線的另一個(gè)替代品，特別是用于易碎的焊盤結(jié)構(gòu)。
本文給出了鍍Pa銅線（表面強(qiáng)化的銅線）和Ag合金線的研究結(jié)果。在存儲(chǔ)器件上比較了可鍵合性。在可靠性評(píng)估中，主要用uHAST（85%RH，130℃）和HTS（150℃）測(cè)試。依據(jù)可靠性失效情況，調(diào)整Ag合金線的組分。

實(shí)驗(yàn)步驟
與LSI比較，存儲(chǔ)器件的Al厚度一般較薄，它對(duì)線鍵合工藝更敏感，所以選一種存儲(chǔ)器件作為本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)器件。封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。
首先，根據(jù)參數(shù)窗口、焊球形狀、Al濺出、線拉力測(cè)試、焊盤裂縫及電測(cè)試良率比較鍍Pa Cu線和Ag合金線的鍵合能力。這二種引線的直徑為23μm。二種線均用N2作為保護(hù)氣體。圖4是線拉力測(cè)試情況。
第二部分中，重點(diǎn)是Ag合金線的可靠性性能，特別是uHAST（85%RH，130℃）和HTS（150℃）測(cè)試。用FIB、TEM和EDS檢查Ag-Al界面和IMC特性。在最后一部分中，調(diào)整Ag合金線的成分提高可靠性性能。


結(jié)果
線鍵合工藝比較
如表1所示，比較了Ag合金線、鍍Pa Cu線和4N金線的硬度。Cu線的FAB硬度最高，比4N金線高約50%。而Ag合金線的FAB硬度僅比4N金線高10%左右。

根據(jù)不同的FAB和線硬度，比較了球焊點(diǎn)接合性和針腳式焊點(diǎn)（stitch bond）性能。
（A）球鍵合能力
在同一存儲(chǔ)器件上采用Ag合金線和鍍Pa Cu線。線鍵合實(shí)驗(yàn)和球拉力測(cè)試后，得到的參數(shù)見圖5。Cu線的超聲功率（US Power）和力均比Ag合金線高得多。其他方面，Ag合金線的參數(shù)范圍比Cu線大。焊球拉力測(cè)試結(jié)果見表2，其中，Cu線的結(jié)果比Ag合金線高，因?yàn)閿嗔沿?fù)載較高。
表3中比較了焊球形狀及Al濺出。調(diào)整參數(shù)后，二種線的焊球形狀被控制得很好。但Cu線的Al濺出大得多，這有可能造成線短路失效的風(fēng)險(xiǎn)。



此外，由于二種線的硬度均比Au線高，焊盤損傷應(yīng)是此評(píng)估中的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。鍵合后的焊盤界面用KOH腐蝕。比較結(jié)果見表4。在鍵合參數(shù)窗口內(nèi)，所有Ag合金線的焊盤是平滑而完整的。不過，在Cu線的焊盤觀測(cè)到弧坑問題，見表4。

（B）針腳式接合性（stitch bondability）
隨著引線硬度的增加，在替代Au引線時(shí)必須保證二次針腳式接合性。觀測(cè)并比較了參數(shù)窗口、針腳形狀和針腳拉力測(cè)試。
圖6說明了Cu線和Ag合金線的二次針腳鍵合次數(shù)。Cu線的超聲功率和力均比Ag合金線高得多。Ag合金線的參數(shù)范圍也比鍍Pa Cu線大。
表5比較了二次針腳鍵合的形狀和殘余拉力（pull residue），全部可加以控制。Cu線的針腳拉力值比Ag合金線高，這是由Cu線較高的斷裂負(fù)載引起的。

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