高可靠性鍵合金線-RelMax介紹

時間：2023-12-27 13:44:14來源：搜狐

賀利氏電子-宋建波

摘要：

根據應用場景不同，半導體器件通常可以分為4大類：消費類電子、工業級電子、汽車電子、軍工產品。目前市場上消費類電子及工業級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。隨著汽車市場的復蘇尤其是新能源車市場的火熱，對電子元器件的需求量也是與日俱增，對其可靠性要求也是越來越高。
所謂“車規級元器件”需要通過AEC-Q認證，例如AEC-Q100適用于IC產品，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個等級，G0最高，G3最低，以下表中列出了不同等級對應的具體可靠性項目及條件：

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

隨著汽車電子器件對高可靠性的需求，相應對其內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。
在介紹產品前，我們先來了解一些金線的關鍵特性，其中一個非常關鍵的特性就是熱影響區。

圖1. 金線的關鍵特性描述

熱影響區，以下簡稱HAZ：在燒球的過程中高溫會熔化金線形成FAB，在這一過程中熱會沿著線的方向傳導，使靠近FAB區域的這段金線的晶粒結構發生變化，變得粗大，線變軟。這部分區域即為HAZ，長度通常在幾十到幾百微米。HAZ是金線非常重要的一個特性，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、長弧應用。

圖2. 熱影響區的描述

從線材角度來講，不同摻雜類型和含量會影響HAZ的長度。
為何摻雜類型會影響HAZ的形成呢？主要原因是不同摻雜元素的再結晶溫度不同，例如Ca摻雜會使球頸部的再結晶溫度大于300°C以上。因此，即使是4N金線，由于摻雜類型的不同會存在不同長度的HAZ。
以下表2中列出了HET部分金線型號HAZ的長度。通過以下數據可以看出，在不同FAB尺寸的條件下HAZ長度會略有差異，通常FAB尺寸大，HAZ會更長一些，其主要原因是在燒大球時，FAB需要更大的熱量來融化線材，大熱量會使球頸部變化更顯著，會增加HAZ的長度。所以，如果在WB過程中出現了球頸部裂紋的問題，可以考慮適當減小燒球參數來改善頸部的強度。

表2. 不同型號的金線HAZ長度對比

第一焊點：它的外形、硬度、合金元素等會影響與Pad表面的結合情況，尤其影響可靠性。
以下表3中是常用線材與Al Pad結合后的可靠性表現，其中Au/Al IMC生長速率較快，這主要取決于材料的原子價態、原子半徑、擴散率等因素。如果一種原子比另外一種擴散的更快，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爾空洞，此類空洞連接到一起就會使球脫落，導致產品開路失效。
圖3所示 Au/Al 150℃存儲1000小時后IMC層照片，所以如果希望提升金線高溫存儲的能力，就需要延緩Au/Al IMC生長的速率。

表3. 不同材料與Al 結合后的可靠性表現

圖3. Au與Al IMC形成柯肯達爾空洞（150℃/1000h）

針對這種情況，HET有一款很好的產品推薦給客戶，產品名稱：

化學成份
金含量：99%
產品基本特征描述：
· 出色的第一焊點可靠性。
· 無鹵，適合框架類和基板類產品的應用。
· FAB軟，同軸度較好，特別適合小間距產品。
· 細線強度高，適合于降低線徑的項目。
我們從FAB硬度、第一焊點球形、第二焊點工藝窗口、高溫存儲的能力等方面來全面了解一下這款金線。
FAB硬度：RelMax 會比同類型的金線軟，對Pad沖擊力更小，會有力的保護Pad不受損傷。

圖4. FAB硬度對比（15μm線徑，25μm FAB）

第一焊點球形：RelMax同軸度會更好，不容易出現偏心球等異常，特別適合Pad開窗比較小的產品應用。

圖5. 球形同軸度對比

第二焊點工藝窗口：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，導致第二焊點工藝窗口較小。

圖6. 第二焊點工藝窗口對比（1mil金線，BGA）

高溫存儲可靠性：高溫存儲后進行拉力測試，測試部位為球頸部，結果顯示0.8mil 175℃ 10000h沒有出現球脫落的情況；另外一組0.6mil 200℃ 5000h同樣沒有問題。

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

圖8. 175℃存儲1000h IMC

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

圖10. 相對穩定的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，在高溫存儲階段，隨時間的推移會形成Pd阻礙層，延緩Au /Al之間的擴散速率，抑制了Au向Au/Al IMC層繼續擴散，從而提升了高溫存儲的能力。參考以下EPMA的分析結果，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，檢測到Pd層的分布

圖12. Pd阻礙層作用（示意圖）

總結：在什么樣的應用條件下可以選RelMax
· 小間距/超小間距的高可靠性產品應用
· 需要降低線徑同時兼顧高可靠性的產品。
· Low K 和芯片敏感的產品應用。
· 適合4N金線轉換2N金線的項目。
· 改善2N金線的MTBA。

目前這款產品已經在業界穩定量產使用，歡迎大家咨詢。賀利氏電子依托其強大的研發實力及持續不斷的研發投入，定會為廣大客戶提供更加卓越的鍵合線產品，助力傳統封裝持續發展！

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