无氰镀金银基键合丝的研究进展

doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018.06.014

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 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 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 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-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：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.

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-Pd[16]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]、DMH[23]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10~20 g/L氯金酸钠的无氰电镀液和一些添加剂组成，电镀温度范围40~60 ℃，pH控制在8~9，电流密度控制在0.5~1.0 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