芯片铝焊盘上不同金属丝键合质量研究

金属键合丝是半导体封装中非常关键的材料，它直接影响到键合的工艺表现和互连的可靠性。以不同金属丝（金丝、钯铜丝、金钯铜丝、银丝）和芯片铝焊盘第一焊点的键合为研究对象，分析对比各金属丝作为键合丝材料本身的基本性质、与铝焊盘键合第一焊点的工艺性能、与铝焊盘键合第一焊点的可靠性，发现其工艺性能和可靠性都满足半导体封装的键合要求。可靠性试验显示，各金属丝与铝焊盘之间的金属间化合物生长速度不同，但与可靠性失效无直接关系；可靠性失效都是由于金属丝焊球与铝焊盘脱落造成的；选择不同金属丝键合可满足不同的可靠性要求。

1 引言

键合工艺是半导体封装中一道十分重要的工艺，通过键合不同的金属丝材来完成器件内部芯片和器件外部引出端的互联，使芯片的功能得以实现。虽然有其他不用金属丝材的互联技术不断出现，但目前市场上80%的封装器件仍然使用金属丝材键合的方式来完成。金属丝材作为键合工艺的关键材料，对封装器件有极其重要的影响，随着技术改进，在器件质量不变的条件下，要求材料成本越来越低，金属丝材制造商不断开发出各种类型高性价比的金属丝材，以满足封装需求。

目前市场上金属丝材主要有金丝、铜丝、钯铜丝、铝丝、金钯铜丝、银丝，各金属丝材性能及使用范围不尽相同，本文分析对比了金丝、钯铜丝、金钯铜丝、银丝在芯片铝焊盘上第一键合焊点的球焊工艺性能表现和互联可靠性。

2 各金属丝材的基本特性

金属丝作为芯片和引脚的连接材料，其本身的材料属性会影响到键合工艺和可靠性。

2.1 金属丝的电性能和热性能

在导电性上，银丝比其他的金属丝都要好，在相同直径的条件下，银丝能够承受更大的电流，对于低电流器件，承载相同电流时银丝丝径可以更细，以满足更加密集的键合设计（如芯片铝焊盘间隙、引出端节距）。在导热性上，银丝比其他的金属丝要好，这意味着银丝可以在更大程度上导出热量，提升器件的散热性，对于高功耗器件，银丝优于其他金属丝。常用的4 种金属丝的电性能和热性能如表1 所示，其中金丝为4N 金丝（金含量99.99%），银丝为银含量大于95%的合金丝。