无氰镀金银基键合丝的研究进展.DOC

1、无氰镀金银基键合丝的研究进展 李凤 1,2,3,4，唐会毅 1,2,3,4，吴保安 1,2,3,4， 罗维凡 1,2,3,4， 罗凤兰 1,2,3,4 （ 1.重庆材料研究院有限公司， 重庆 400707； 2.国家 仪表功能材料工程技术研究中心， 重庆 400707； 3.高性能测温材料国家地方联合工程实验室， 重庆 400707； 4.重庆市稀贵金属高效应用工程技术研究中心 ， 重庆 400707） 摘要 ：键合银丝具有生产成本低，导电导热性好，但其抗氧化、硫化性低，不能完全替代键合金丝，特别是在高密度的 集成电路 封装工业中，因此镀金 银基键合丝应运而生，通过在银丝表面覆盖镀金层，使其抗

2、氧化能力提高，成球性好，可靠性高。主要介绍无氰 镀金工艺和 镀金银基键合丝 的发展 。 关键词 ：封装 ； 键合丝 ； 无氰镀 ； 性能 中图分类号： TQ153.1 文献标志码： A 文章编号： 1007-7545（ 2018） 06-0000-00 Research Program of Cyanide-Free Au-Coated Silver Wire LI Feng1,2,3,4, TANG Hui-yi1,2,3,4, WU Bao-an1,2,3,4, LUO Wei-fan1,2,3,4, LUO Feng-lan1,2,3,4 (1. Chongqing Materials

3、Research Institute Co., Ltd, Chongqing 400707, China; 2. National Instrument Functional Materials Engineering Research Centers, Chongqing 400707, China; 3. National Local Joint Engineering Laboratory of High Performance Thermometer, Chongqing 400707, China; 4. Chongqing Engineering Research Centers

4、of Rare and Precious Metals High Effective Application, Chongqing 400707, China) Abstract： Though with better electrical and thermal properties, and low production cost compared with bonding gold wire, bonding silver wire cannot replace bonding gold wire completely in high density integrated circuit

5、 packaging industry due to its low oxidation and sulfuration resistance. Au-coated silver wire prepared by gold plating on silver wire surface has high oxidation resistance, better spheronization, and high reliability. The development prospect of cyanide-free gold plating process and cyanide-free Au

6、-coated silver (ACA) wire are introduced. Key words： package; bonding wire; cyanide-free plating; property 目前，集成电路中的半导体电子芯片与外部引线框架的连接大部分都是依靠键合丝完成的，即引线键合，且是集成电路封装行业的最传统和最常见方法 1-4。 传统的键合丝多由纯金制成，它具有电导率大 、 耐腐蚀和韧性好的优点而被广泛应用。但随着黄金资源的稀缺，价格不断上涨，其生产成本日益增加，因此，寻求一种工艺性能好 、 生产 成本低的替代产品迫在眉睫 5-6。铜具有较好的热力学性能，但其在封装行

7、业的可靠性和持久性影响 其使用，因此铜不能完全替代金的地位 7-9。银具有最好的导电性，延展性好，且硬度与金相似，但纯银丝易氧化，成球性和可靠性差 10， 也不能替代金丝。镀金银基键合丝 既 有银的优异电学性能 、 力学性能 ，同时也具有金的抗氧化性，使键合丝的成球性能好，可靠性高，且使用寿命长，同时生产成本低 11。 主要介绍无氰镀金工艺和镀金银基键合丝的发展。 1 键合丝的发展 目前，键合丝主要有键合金丝 、 键合银丝 、 镀钯键合铜丝 、 键合金银丝等。在半导体封装行业使用频率最高的还是键合金丝， 金丝由于 优良的热稳定性、均匀性、耐腐蚀性等性能， 成为 应用 广泛的键合丝材料之一。但金

8、具有价格高、强度低以及在与铝盘界面易产生脆性金属间化合物等缺点，为提升键合丝的性能及降低生产成本，各国相关机构开展了可替代的新型金银基合金键合丝及覆层键合丝的广泛研究及应用开发，使其成为替代金丝的理想材料。此外，为了改善单一铜和银的抗氧化性，合金化或者复层的键合铜丝和键合银丝也在研究范围之内。 1.1 镀钯键合铜丝 由于铜易氧化，氧化后可焊性差，影响成球效果，且铜球的硬度高，封装后易受环境中卤化物的影响 12，因此 研究者 在铜丝表面镀一层钯，镀钯层能防止铜的氧化，但在键合过 程中，易形成 Cu-Al金属化合物，影响第一键合处的剪切力强度 13。 收稿日期 ： 2017-12-19 项目基金

9、：国家重点研发计划 项目 (2016YFB0402602) 作者简介 ：李凤 （ 1987-） ，女，重庆 人 ，工程师 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2018.06.014 1.2 键合金银合金丝 银 的 易氧化 、 成球不稳定等特点，限制了键合银丝的发展，研究者通过合金化、表面镀层等改性研究，以提高其力学性能和电学性能。目前有 Ag-Au-Pd 添加少许稀有金属的银合金键合丝 14-15和 Ag-Pd16等合金键合丝产品面世，但长时间使用仍会发生氧化，且在生产以及封 装过程中均需要气体保护，限制了该类产品的应用。 1.3 镀金银基键合丝 为充分利用纯银优异

10、的 电学 性能和力学性能，克服纯银易氧化的特点，在一定直径的纯银丝表面镀一金 层 ，然后将镀金丝拉拔至需要的直径。镀金层与银表面的分子之间相互融合，提高了银丝的抗氧化性，有效降低了生产成本，并延长了产品的使用寿命 17。 2 无氰镀金工艺发展 氰化镀金一直是镀金行业的主流工艺 18，因 镀液稳定 、 镀层的光亮度高 、 结合能力强 、 平整度高 、 分散 能力 强等特点被广泛应用于中、高端电子元器件封装材料。但氰化镀金毒性大，不仅影响操作工人的 身体健康，同时排出的废水也严重污染环境 19，因此氰化镀金逐渐被无氰镀金所代替。 无氰镀金液主要由金的主盐 、 络合剂 、 添加剂组成。目前，非氰化镀

11、金液主要是亚硫酸镀金液，其分散 能力 和覆盖能力较好，阴极电流效率高，沉积速度快，镀层结晶光亮致密，空隙少，但由于镀液要求的温度较高，镀金液稳定差，在镀槽的搅拌泵和加热器沉积金 19-20。 为解决无氰电镀液稳定性问题，乐玮等 21用二甲基亚砜有机溶剂体系电镀金，该体系具有镀液高度稳定，且无需添加稳定剂和光亮剂，其镀层结晶细致，结合力和耐蚀性良好。研究者向镀金液中添 加抗氧化剂 22、DMH23以使镀金层晶粒细小、平整，光亮度更好，防 变 色能力强，平整性好等特点。 无氰镀金的工艺不仅受电镀液的影响，电镀时间 、 电流密度 、 镀液的温度等 都 影响电镀产品的质量。镀层的厚度与电镀时间和电流密

12、度密切相关，随着电镀时间的延长，镀层厚度增加，但当镀层厚度增加到一定程度后，继续延长电镀时间，镀层增加的速度变缓，因此 应 控制在最佳的电镀时间。电流密度不仅影响镀层厚度，也影响镀层的致密程度，电流密度较低时，沉积速度低，镀层色泽暗，电流密度较高时，阴极表面的金属离子降低过快，从而使极化作用加强 ，影响晶粒的生成，镀层疏松多孔。镀液温度影响着镀层的沉积速度，温度过低，沉积速度慢，但温度过高，影响镀液的稳定性 24。因此，为得到满意的无氰镀金产品，应控制好电镀时间 、电流密度 、 镀液温度。 3 无氰镀金银基键合丝及其性能 通过对一定直径的银丝进行无氰电镀，电镀液由含量为 1020 g/L氯金酸

13、钠的无氰电镀液和一些添加剂 组成 ，电镀温度范围 4060 ， pH控制在 89，电流密度 控制在 0.51.0 A/dm2，镀金层的厚度 还 与电镀时间有关，根据所需的镀层厚度确定电镀时间 21,24-25。电镀过程如图 1 所示 26。镀金银基键合丝的纳米结构 26见 图 2a，镀金银基键合丝的横截面 26如图 2b 所示 。 图 1 连续无氰镀金设备 Fig.1 Schematic diagram of equipment for continuous noncyanide electroplating 图 2 镀金银基键合丝的纳米结构图 (a)和 横截面图 (b) Fig.2 Stru

14、cture of nano-Au-coated Ag bonding wire (a) and its cross-section view (b) 3.1 氧化性 众所周知，银在潮湿的环境下易被氧化，或是在含有硫的环境中易被硫化，而金化学稳定性极高，在空气中抗氧化能力强。被氧化的纯银丝在成球过程中影响较大，最终影响产品的可靠性。研究者 26通过测试相同氧化环境中氧化的纯银丝和镀金银基键合丝的电阻，发现银丝的电阻率上升，而镀金银基键合丝的电阻维持一个相对稳定的水平，因此可见，镀金银丝表面的镀金层阻止了内部银丝的氧化，从而维持无氰镀金银基键合丝优异的电学性能。银丝和镀金银丝 (ACA)在不同氧化

15、时间下的电阻率 26如图 3 所示 。 图 3 银丝和镀金银丝在不同氧化时间下的电阻率 Fig.3 Electrical resistivity of Ag and Au-coated silver wires after various oxidation times 3.2 热力学性能 帅和平 22对无氰镀金银基键合丝 力学 性能 进行研究， 镀金银基键合丝 和纯银丝具有相似的杨氏模量，相同的伸长率，且镀金银基键合丝具有更高的抗拉强度，镀金层能增加纯银丝的力学性能 27-28， 银丝和 镀金银基键合丝 的力学性能 见 表 128。 在电流强度测试时，无氰镀金银基 键合丝和纯银丝的 力学性能

16、 均比没通电时的力学性能 低 。 镀金 丝 的应力 应变曲线和拉升性能 28-29如图 4 所示。 无氰镀金银基键合丝呈现典型的应力 应变曲线，而在电流强度测试时，无氰镀金银基键合丝延展性发生变化，且在塑性区域的变化较大。在低应力区域，应力变化过快，导致了电子转移，从而引发了晶界面的晶体滑移，增强了 无氰镀金银基键合丝的抗拉强度。在塑性区域，应力 应变曲线暗示着高的波动振幅，在电流的影响下，晶粒的长大与转动减小了 丝材 晶界能和电阻 30。 表 1 银丝和无氰镀金银基键合丝的力学性能 Table 1 Mechanical properties of Ag and ACA wires 样品 屈服

17、强度 /MPa 抗拉强度 /MPa 延伸率 /% 断裂模式 Ag wire(4N) 149.2 185.3 16.0 韧性断裂 ACA wire 160.1 198.4 16.8 韧性断裂 Ag wire in ET test 111.9 146.4 8.8 韧性断裂 ACA wire in ET test 139.6 171.7 9.6 韧性断裂 图 4 应力 应变曲线和拉升性能 Fig.4 Stress-strain curves and tensile properties 温度也影响无氰镀金银基键合丝的力学性能， 退火后， 无氰镀金银基键合丝 的硬度降低，但其延伸率显著增加 ， 合适的

18、退火温度不仅使其韧性好，而且强度高，但退火温度过高，其内部晶粒逐渐长大，并出现等轴双晶，影响其力学性能 26。 3.3 电学性能 无氰镀金银基键合丝具有优异的电学性能，无氰镀金银基键合丝和纯银丝在室温（ 25 ）时的熔断电流相同，但在高温（ 85 ）时，无氰镀金银基键合丝的熔断电流比纯银丝高，由于纯银丝在高温时易氧化，其初始电压 较高，而无氰镀金银基键合丝的镀金层阻止了内部银丝的氧化，初始电压较低 29。 无氰镀金银基键合丝和纯银丝在没有电流通过时，其晶粒较小 31，当纯银丝和无氰镀金银基键合丝通电后，会产生焦耳热，焦耳热 使丝材 内部的晶粒长大，丝材的晶粒边界减少，因此会相应 地 降低丝材的

19、电阻，而热能又能加速电子迁移效应 ，使 细丝 更快 地 达到热力学平衡 27。 但当较高的电流通过细丝时，细丝的温度升高过快将影响丝材的电阻及丝材的使用寿命 27,29。 3.4 成球性 烧球是键合过程的第一步 ，通过电火焰自由成球，在此过程中，融化热就形成了一个热影响区，因此，在球的颈部就发生了明显的晶粒长大，且 出现 退火孪晶，晶粒尺寸较大时缓解热应力的能力下降 31。 在烧球结束后，由于冷却过程中产生的热应力的作用，在垂直于轴线方向产生环形裂纹。由于银丝表面有镀金层，阻止了银基的氧化，因此，在烧球过程中不需要再加入保护气体。 周文艳等 33-34就烧球过程中的电流及时间进行了研究，采用高

20、电流 短时间的烧球参数，焊球与电极 界面结合较好，焊线的键合强度较高，电极损伤较少，所得银丝键合质量较好。 4 无氰镀金银基键合 丝的前景 虽然键合金丝在集成电路封装材料中一直表现优异，但 由于 其 生产成本 高昂及 金矿资源 日渐消耗，研究者们不得不寻找新的替代品。无氰镀金银基键合丝采用无氰镀金技术， 不仅在生产过程中保护了操作工人的健康，同时对 环境污染小， 并 保证了银的导电性和导热性，在承载相同额定电流的前提下，进一步缩小键合丝的直径，缩短焊接间距，使其在高密度的集成电路封装工业的适用性提高，同时可以大幅度降低中高端微电子期间芯片的封装材料成本 17。 参考文献 1 田春霞 . 电子封

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