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黎学文等发布《LED封装用键合丝的性能分析对比》

行家说Display · 2019-12-02
日前,来自旭宇光电(深圳)股份有限公司、西南科技大学、深圳清华大学研究院的黎学文、蔡济隆、陈磊、林金填等人在《中国照明电器》上发布了《LED封装用键合丝的性能分析对比》论文。

日前,来自旭宇光电(深圳)股份有限公司、西南科技大学、深圳清华大学研究院的黎学文、蔡济隆、陈磊、林金填等人在《中国照明电器》上发布了《LED封装用键合丝的性能分析对比》论文。

键合丝是发光二极管封装中应用的关键材料之一,是发光二极管高效封装的基础。由于键合金丝成本高企,众多LED封装厂家选择应用低成本合金丝来替代键合金丝。该论文综述了键合金丝、金合金丝、银合金丝的组成、性能、使用、可靠性等研究进展,并以北京达博有色金属焊料有限责任公司提供的四款产品为例进行了应用测试,比较了其性能差异,为合金丝的应用提供支持。

其中,通过应用测试发现,银合金丝在常规性能上已经可以满足常规LED对于键合金丝的要求,因此合金丝在一定程度上可以代替传统使用的键合金丝;其可靠性可以满足常规测试的要求,但较键合金丝仍然较差,对于使用条件较为严苛的场合,仍需对其进行进一步的改善与评估,以保证产品的可靠性。

 

论文全文如下:

 

LED封装用键合丝的性能分析对比

黎学文1,2,蔡济隆1,陈 磊3,林金填1

(1.旭宇光电(深圳)股份有限公司,广东 深圳 518101;

2.西南科技大学,四川 绵阳 621010;

3.深圳清华大学研究院,光机电一体化重点实验室,广东 深圳 518057)

摘 要:键合丝是发光二极管封装中应用的关键材料之一,是发光二极管高效封装的基础。由于键合金丝成本高企,众多LED封装厂家选择应用低成本合金丝来替代键合金丝。本文介绍了键合丝的特点和性能要求,综述了键合金丝、金合金丝、银合金丝的组成、性能、使用、可靠性等研究进展,并以北京达博有色金属焊料有限责任公司提供的四款产品为例进行了应用测试,比较了其性能差异,为合金丝的应用提供支持。

 

关键词:LED;键合丝;合金丝;性能;可靠性。

中图分类号:TG146     文献标识码:A

 

Analysis and Comparison of Performance of Bonding Wire in LED Packaging

LI Xuewen1,2, CAI Jilong1, CHEN Lei3, LIN Jintian1

(1.Xuyu Optoelectronics(Shenzhen) Co.,LTD., Shenzhen 518126, China;

2.Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;

3.Opto-Mecharonics Laboratory, Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen 518057, China)

Abstract: Bonding wire is one of the applicated key materials in light emitting diode packaging. It is the foundation of high-efficient LED packaging. Due to the high cost of gold bonding wire, many LED packaging manufacturers chose low cost alloy bonding wire instead of gold bonding wire. This paper introduced the characteristics and the performance demands of bonding wire. The research progress on the composition, performance, application and reliability of gold bonding wire, gold alloy bonding wire and silver alloy bonding wire was summarized. Four products provided from Beijing Doublink Solders Co.,LTD were tested in LED packaging application as examples to compare their differences in performance, which can provide support for the application of alloy bonding wire.

Keywords: LED; bonding wire; alloy bonding wire; performance; reliability.

 

引言

在发光二极管的封装中,键合丝是连接芯片与支架的关键材料,主要实现芯片与引脚间的电路导通,同时也影响着芯片温度的导出。键合丝的组成主要包括金丝、铜丝、铝丝、银丝等。金键合丝已被证明在LED封装中具有优良的性能,但是受制于国际金价高企,成本居高不下。而银成本相对低廉,作为键合丝使用时,导电导热性能优异,是未来LED封装发展最有潜力材料之一。针对LED灯珠在工作时高功率高温度的条件,铜丝和铝丝的稳定性较差,只能应用于低端小功率产品中。因此,本文根据相关资料,从组成、性能、使用、优势等方面总结目前以Au-Ag体系为主的键合金丝/金合金丝/银合金丝的性能对比,并以达博四款产品的应用为参考佐证了分析,为合金丝的应用提供参考。

 

1 键合丝

1.1 键合金丝

金是一种导电导热好,物理性能优良,化学性质稳定的金属。同时具有优良的延展性、韧性、耐高温性和适宜的热膨胀系数,是引线键合中应用最为广泛的键合丝材料。在微电子封装中,键合金丝能够满足封装线材高强度、适宜弧度和高稳定性的要求。同时其优秀的力学性能使其在焊接过程中可加工性强,成球容易,对机台要求较低,键合进程快。常见的键合金丝根据纯度分为2N(99%)、3N(99.9%)、4N(99.99%)三种,线径在18-50微米之间。通常来说,金丝的纯度越高,其电阻率越低,可焊接性越好,但弹性模量和抗张强度越低,热影响区越长,对键合弧度和强度都有很大的影响。改善键合金丝的强度和性能可以通过添加微量元素(<0.1%),强化合金并细化晶粒来达到目的。微合金化的键合金线可以提高键合金线在高温环境下的长时间放置性能,具备良好的强度、延伸性能,应用时烧球正圆度更好,振动断裂率更低。通常来说,Pd、Pt的掺杂可以有效减少界面Au合金的生成,Be可以增强线弧的稳定性,Ca可以增加线材的强度,稀土类金属则可以增加金线的热影响区、细化颗粒并提高热稳定性[1-2]。最后,通过控制适当的热处理温度,可以调控键合金丝的强度和成键性能。一般而言,热处理温度越高,键合金丝的延伸率越高,而强度越低。得到的键合金丝产品,按其强度、线弧稳定性、热稳定性、线弧拉力和金球推力等性能的不同,可以适用于各种不同场景封装应用[3]。

虽然键合金丝已被广泛应用于引线键合中,但由于纯金的价格昂贵,金线产品成本居高不下,生产过程中损耗成本过大,键合金丝的使用成为制约LED产品性价比的重要因素。同时在高温条件下,金丝如果与铝电极焊接,其界面容易产生稳定性较差的金属间化合物(IMC)AuAl2和Au2Al合金,反应时容易产生物质迁移,在界面处形成柯肯德尔空洞(Kirkendall Void),电阻急剧增大,甚至导致焊点脱离而失效[4]。

1.2 键合银丝&银合金丝

银在所有元素中具有最高的电导率和导热性,被视作是性能潜力最高的键合用金替代品。银的伸长率高,杨氏模量低,因此键合银丝在热压过程中能发生有效的塑性变形且易成球,可以有效地与焊点结合,同时减少对下焊层的破坏。由于银的化学性质相对稳定,键合银丝在焊接中只需调节焊接参数并加氮气保护。银的常温机械性能与金接近,因此焊接后键合银丝线弧强度与键合金丝相近。常用的LED支架镀层为银层,键合银丝的晶格与之适配性高,焊接效果好。此外,银对于波长在550nm以下的可见光反射远高于金,因此使用银键合丝还能增加LED灯珠的亮度。

但在LED封装过程中,键合银丝的应用存在一定的问题。键合银丝的高温强度较低,在高效键合的过程中容易拉断,产生接线不良。银丝的导热率高,银离子容易发生离子迁移,因而键合过程中使用的参数窗口范围小,加工性能不如金,在焊球中凝固不均匀,容易形成缺陷,如高尔夫球、尖球、波浪球等,同时球焊颈部强度低于金键合丝,甚至发生塌线等。银化学稳定性不如金,易氧化硫化,使封装后产品可能发生腐蚀、发黑等失效现象。同时银离子的迁移性使键合丝与电极间的界面形成金属间化合物的速率较快,界面结构被破坏,键合性能低。

与键合金丝类似,研究者们尝试采用合金化的方法来解决键合银丝在使用中的不足。Au和Pd与Ag可以形成固溶体,是Ag合金化掺杂的有效手段。Au的加入能够提高合金丝的抗氧化性能,抑制高温化合物的生长。但Au加入过多会导致金银扩散物种数变多,电阻率上升,而电阻率则与键合丝的发热量和使用寿命息息相关,因此Au掺杂过多会导致合金丝的可靠性下降。Guo等人研究了Ag-8Au-3Pd的界面化合物形成过程,发现Au比Ag更容易生成界面化合物,Ag起到保护Au的作用[5]。而Pd的加入不仅能通过形成合金减少银离子的迁移,同时可以在线材和电极界面形成低扩散化合物,阻止银离子的迁移而形成空洞或线材的厚度变化[6]。因此,Ag-Au-Pd合金丝可以具有更好的FAB形貌和电极金属覆盖率,其老化性能也更优异。同时,在线材制备工艺中,可以通过退火形成孪晶结构,此结构可以提高高温稳定性。Cao等人研究了Ag-4Pd银丝在热处理中的变化情况,发现热处理后合金丝出现孪晶组织,得到优秀的力学性能[7]。

其他微量元素掺杂对银合金丝也有促进作用。Lin等人研究了掺杂元素对Ag合金丝在HTST和TCT测试中的稳定性影响,发现In和Ni的掺杂能有效提升银线的稳定性。键合丝会在与Al的接触界面生成Ag2Al和Ag3Al界面化合物,而掺杂元素会从银丝扩散到界面,阻止界面化合物的生成,增加键合丝的可靠性[8]。针对银合金丝较小的操作窗口,Fan等人研究了键合参数对银合金丝键合性能的影响,通过优化参数得到了优秀的焊接结果[9]。

1.3 Au-Ag合金丝

除了银丝以外,金银合金键合丝也是一种降低成本的一种方案。由于金和银可以形成固溶体,通过适当的银的掺杂,可以在利用金良好化学性能的基础上降低键合丝的成本,同时通过Ag和Au形成固溶体后形成的合金晶格畸变引起的晶格力的变化,增加键合丝的力学强度和延展性,使其具有优良的抗振动破断性能,同时在焊接过程中焊球容易控制且形貌优良。随着Ag含量的增加,线材的强度和伸长率增加,拉断力和杨氏模量降低,热影响区减小,相应的焊接性能增强,线弧拉力和焊球推力也有提升。

但是,Ag的掺杂会降低键合丝的拉断力和杨氏模量,降低焊点的键合可靠性,需要添加微量元素以增强其键合性能,减少Au与Al之间界面化合物的生成和Ag离子的迁移。为了保证两种金属成分的均匀性,熔炼过程中需要多次熔炼,且性能稳定性相应较低。合金中可迁移的物种数多,电阻率远高于高纯度Au或Ag,因而熔断电流大幅下降,发热失效老化寿命变短,可靠性下降。

Liu等人研究了80金丝在封装中的可靠性,发现使用PCT支架在240小时测试后电气性能符合标准,但有腐蚀现象发生。Ag的掺杂使其界面化合物的生长速率下降一个数量级,1500小时测试后界面处没有空洞产生[10]。Long等人研究了金合金丝键合时温度参数对键合过程和性能的影响,发现低温时合金丝与焊接面没有成功成键,而高温时成键过度,这都导致键合性能的不良。同时温度还会影响超声的性能[11]。Cho等人发现Pd的掺杂有效降低高温下界面化合物的生成,提高了金合金丝的热稳定性[12]。

 

2 应用测试

2.1 材料与方法

试验材料为北京达博有色金属焊料有限责任公司生产的四款键合丝,其性能见表1:

表 1 试验所采用的键合丝性能规格书标称值

Table 1 The nominal value of performance specification of the bonding wire used in the test

采用SMD 2835 LED 灯珠进行试验。产品性能测试分为键合性能和封装后的可靠性测试。其中键合性能测试进行推拉力测试,采用22pcs测试并取平均值。封装后的可靠性测试采用高温老化、高温高湿和冷热冲击测试,其中高温加速和高温高湿测试采用22pcs测试并取平均值;冷热冲击采用300pcs进行测试,每隔100回合统计死灯数。

 

2.2 结果与讨论

表2是不同型号键合丝的线弧拉力测试和焊球推力测试结果。可以看到,测试中性能结果顺序为AS12>AG8≈AG6>TS,这与其组成所具有的力学性能相符。根据我司测试标准,线弧的拉力应高于5.5g,一焊球的推力大于25g,二焊球推力大于60g。四款材料均达到该标准,因此在力学性能上均能匹配此款LED产品封装的应用。同时,通过显微镜观察可以看到,使用TS和AS12时一焊处焊球饱满,球颈圆滑,无裂痕;二焊鱼尾处无碎裂。因此,四款产品都可以较好地焊接到芯片和支架上。

表 2 四款键合丝的键合性能测试

Table 2 Bonding performance test of four kinds of bonding wire

图 1 使用TS(A)和AS12(B)固焊后显微镜观察图

Fig.1 Microscopical observation after welding using TS(A) and AS12(B).

表3是分别使用4款键合丝封装后的LED样品的高温加速和高温高湿测试结果。高温加速测试中,4款产品在500小时后光通量维持率仍在95%以上,维持率大小顺序为TS>AG8≈AG6>AS12。高温高湿测试中,4款产品在300小时测试后光通量维持率均在95%以上,但测试持续至500小时时,AG8、AG6和AS12的维持率均发生明显下降。这可能是由于合金丝中掺杂的Ag在高湿条件下容易被腐蚀而发生部分失效,导致光通量维持率快速下降。因此,在常规条件下,合金丝的性能能满足测试的要求,可以用于替代键合金丝;但是对于一些严苛条件下的使用,键合金丝仍然体现出了较高的可靠性。

表 3 高温加速和高温高湿测试结果

Table 3 Results of high temperature accelerated test and temperature humidity test

表4是分别使用4款键合丝封装后的LED样品的冷热冲击结果。在300回合测试内,所有测试的LED均没有出现死灯现象。而在500回合后,使用金键合丝TS的产品没有出现死灯,而AG8、AG6和AS12均出现了不同程度的死灯,其数量顺序为AG8

表 4 封装后LED产品冷热冲击测试结果

Table 3 The results of thermal shock test of LED products

图 2 500回合冷热冲击后使用AS12产品失效图

Fig.2 Failure product using AS12 after 500 cycles thermal shock test.

 

3 结论

本文分析了Au-Ag体系下不同类型的键合丝的性能差异,研究了键合丝应用时键合性能和可靠性的差异及影响因素,结论如下:合金丝在降低成本的同时,Ag的掺杂能够提升键合丝的导电导热性和拉断力、延伸率等力学性能,同时与支架镀银层的匹配性较好。因此在键合时,合金丝与焊点之间键合可靠,相比键合金线其线弧拉力和焊球推力都有提升。同时Ag在可见光区的反射率也比Au高,所以灯珠的亮度也有所提升。因此Au-Ag体系的合金丝可以满足LED封装的使用。但由于Ag的化学稳定性不如Au,容易氧化和硫化,且界面更容易产生氧化物和裂纹,因而可靠性较键合金丝要低。通过应用测试发现,银合金丝在常规性能上已经可以满足常规LED对于键合金丝的要求,因此合金丝在一定程度上可以代替传统使用的键合金丝;其可靠性可以满足常规测试的要求,但较键合金丝仍然较差,对于使用条件较为严苛的场合,仍需对其进行进一步的改善与评估,以保证产品的可靠性。

 

参考文献

[1] 朱建国. 键合金丝的合金化研究动向 [J]. 贵金属, 2002, 23(2):57-61.

[2] 杨国祥, 郭迎春, 孔建稳, 等. 稀土元素对键合金丝组织与性能的影响 [J]. 贵金属, 2011, 32(1):16-19.

[3] 陈永泰, 谢明, 王松, 等. 贵金属键合丝材料的研究进展 [J]. 贵金属, 2014, 35(3):66-70.

[4] 徐慧. 铜及金丝与铝合金焊盘键合的金属间化合物生长和可靠性 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006.

[5] Guo R, Hang T, Mao D, et al. Behavior of intermetallics formation and evolution in Ag-8Au-3Pd alloy wire bonds [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 588:622-627.

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[7] 曹军, 范俊玲, 高文斌. 冷变形和热处理对Ag-4Pd键合合金线性能影响. 机械工程学报, 2016, 52(18):92-97.

[8] Lin Y, Su M, Huang W, et al. Effect of doping element on the interfacial reaction behavior of Ag alloy wires bonding on Al pad after HTST and TCT tests. Proceedings of the 2016 IEEE 18th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), 2016:613-619.

[9] 范俊玲, 朱丽霞, 曹 军, 等. 键合参数对 AgAuPdRu 键合线键合性能影响研究. 贵金属, 2019, 40(2):59-68.

[10] Liu H, Chen Q, Zhao Z, et al. Reliability of Au-Ag alloy wire bonding. 2010 Proceedings 60th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2010:234-239.

[11] Long Z, Han L, Wu Y, et al. Study of temperature parameter in Au-Ag wire bonding. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, 2008, 31(3):221-226.

[12] Cho J, Jeong J, Moon J, et al. Thermal reliability & IMC behavior of low cost alternative Au-Ag-Pd wire bonds to Al metallization. 2009 IEEE 59th Electronic Components and Technology Conference, Vols 1-4, 2009:1569.

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