贺利氏电子-宋建波

摘要：

根据应用场景不同，半导体器件通常可以分为4大类：消费类电子、工业级电子、汽车电子、军工产品。目前市场上消费类电子及工业级电子以铜线或镀钯铜线、金钯铜线为主，汽车电子仍以金线为主。随着汽车市场的复苏尤其是新能源车市场的火热，对电子元器件的需求量也是与日俱增，对其可靠性要求也是越来越高。
所谓“车规级元器件”需要通过AEC-Q认证，例如AEC-Q100适用于IC产品，AEC-Q101适用于分立器件，AEC-Q102适用于光电子器件等。其中，AEC-Q100 又包含4个等级，G0最高，G3最低，以下表中列出了不同等级对应的具体可靠性项目及条件：


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

随着汽车电子器件对高可靠性的需求，相应对其内部的封装材料也提出了更高的要求。在此，我们就高可靠性金线的特性做一些分享，看其是如何满足高可靠性器件的需求。
在介绍产品前，我们先来了解一些金线的关键特性，其中一个非常关键的特性就是热影响区。


图1. 金线的关键特性描述

热影响区，以下简称HAZ：在烧球的过程中高温会熔化金线形成FAB，在这一过程中热会沿着线的方向传导，使靠近FAB区域的这段金线的晶粒结构发生变化，变得粗大，线变软。这部分区域即为HAZ，长度通常在几十到几百微米。HAZ是金线非常重要的一个特性，它直接影响线材的线弧能力，通常HAZ越短的金线可以做的线弧高度更低，适合低弧、长弧应用。


图2. 热影响区的描述

从线材角度来讲，不同掺杂类型和含量会影响HAZ的长度。
为何掺杂类型会影响HAZ的形成呢？主要原因是不同掺杂元素的再结晶温度不同，例如Ca掺杂会使球颈部的再结晶温度大于300°C以上。因此，即使是4N金线，由于掺杂类型的不同会存在不同长度的HAZ。
以下表2中列出了HET部分金线型号HAZ的长度。通过以下数据可以看出，在不同FAB尺寸的条件下HAZ长度会略有差异，通常FAB尺寸大，HAZ会更长一些，其主要原因是在烧大球时，FAB需要更大的热量来融化线材，大热量会使球颈部变化更显著，会增加HAZ的长度。所以，如果在WB过程中出现了球颈部裂纹的问题，可以考虑适当减小烧球参数来改善颈部的强度。


表2. 不同型号的金线HAZ长度对比

第一焊点：它的外形、硬度、合金元素等会影响与Pad表面的结合情况，尤其影响可靠性。
以下表3中是常用线材与Al Pad结合后的可靠性表现，其中Au/Al IMC生长速率较快，这主要取决于材料的原子价态、原子半径、扩散率等因素。如果一种原子比另外一种扩散的更快，它将在后面留下空缺，这些空缺聚集在一起就形成了柯肯达尔空洞，此类空洞连接到一起就会使球脱落，导致产品开路失效。
图3所示 Au/Al 150℃存储1000小时后IMC层照片，所以如果希望提升金线高温存储的能力，就需要延缓Au/Al IMC生长的速率。


表3. 不同材料与Al 结合后的可靠性表现 
 
图3. Au与Al IMC形成柯肯达尔空洞（150℃/1000h）

 
针对这种情况，HET有一款很好的产品推荐给客户，产品名称：

化学成份
金含量：99%
产品基本特征描述：
· 出色的第一焊点可靠性。
· 无卤，适合框架类和基板类产品的应用。
· FAB软，同轴度较好，特别适合小间距产品。
· 细线强度高，适合于降低线径的项目。
我们从FAB硬度、第一焊点球形、第二焊点工艺窗口、高温存储的能力等方面来全面了解一下这款金线。
FAB硬度：RelMax 会比同类型的金线软，对Pad冲击力更小，会有力的保护Pad不受损伤。


图4. FAB硬度对比（15μm线径，25μm FAB）

第一焊点球形：RelMax同轴度会更好，不容易出现偏心球等异常，特别适合Pad开窗比较小的产品应用。


图5. 球形同轴度对比

第二焊点工艺窗口：RelMax的工艺窗口明显更大，这里的FP2为HET另外一款2N金线，其硬度较高，导致第二焊点工艺窗口较小。


图6. 第二焊点工艺窗口对比（1mil金线，BGA）

高温存储可靠性：高温存储后进行拉力测试，测试部位为球颈部，结果显示0.8mil 175℃ 10000h没有出现球脱落的情况；另外一组0.6mil 200℃ 5000h同样没有问题。


图7. 拉力测试（0.8mil，BGA 1μm AlSi1%Cu0.5% Pad）


图8. 175℃存储1000h IMC

图9. 拉力测试（0.6mil，BGA 1μm AlSi1%Cu0.5% Pad）


图10. 相对稳定的IMC，5000h只有轻微空洞

RelMax金线为何能提高可靠性？主要是其掺杂中富含Pd元素，在高温存储阶段，随时间的推移会形成Pd阻碍层，延缓Au /Al之间的扩散速率，抑制了Au向Au/Al IMC层继续扩散，从而提升了高温存储的能力。参考以下EPMA的分析结果，可以清楚的看到Pd层分布在Au与AuAl化合物中间。


图11. EPMA分析，检测到Pd层的分布

图12. Pd阻碍层作用（示意图）

 
总结：在什么样的应用条件下可以选RelMax
· 小间距/超小间距的高可靠性产品应用
· 需要降低线径同时兼顾高可靠性的产品。
· Low K 和芯片敏感的产品应用。
· 适合4N金线转换2N金线的项目。
· 改善2N金线的MTBA。
 
目前这款产品已经在业界稳定量产使用，欢迎大家咨询。贺利氏电子依托其强大的研发实力及持续不断的研发投入，定会为广大客户提供更加卓越的键合线产品，助力传统封装持续发展！