IGBT芯片互連常用鍵合線(xiàn)材料特性

來(lái)源：艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)

IGBT芯片與芯片的電極端子間，IGBT芯片電極端子與二極管芯片間，芯片電極端子與絕緣襯板間一般通過(guò)引線(xiàn)鍵合技術(shù)進(jìn)行電氣連接。通過(guò)鍵合線(xiàn)使芯片間構(gòu)成互連，形成回路。引線(xiàn)鍵合是IGBT功率器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電氣互連的主要方式之一。隨著制造工藝的快速發(fā)展，許多金屬鍵合線(xiàn)被廣泛的應(yīng)用到IGBT功率模塊互連技術(shù)中。目前，常用的鍵合線(xiàn)有鋁線(xiàn)、金線(xiàn)、、銀線(xiàn)、銅線(xiàn)、鋁帶、銅片和鋁包銅線(xiàn)等。表1是引線(xiàn)鍵合技術(shù)中常用材料的性能。

表1 引線(xiàn)鍵合工藝中常用鍵合線(xiàn)的材料屬性

1. 鋁線(xiàn)鍵合

鋁線(xiàn)鍵合是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種芯片互連技術(shù)，鋁線(xiàn)鍵合技術(shù)工藝十分成熟，且價(jià)格低廉。鋁線(xiàn)根據(jù)直徑的不同分為細(xì)錫線(xiàn)和粗鋁線(xiàn)兩種，直徑小于100um的鋁線(xiàn)被稱(chēng)為細(xì)鋁線(xiàn)，直徑大于100um小于500um的鋁線(xiàn)被稱(chēng)為粗鋁線(xiàn)。粗鋁線(xiàn)鍵合實(shí)物如圖1所示。

圖1 粗鋁線(xiàn)鍵合實(shí)物圖

 
粗鋁線(xiàn)的載流能力比細(xì)鋁線(xiàn)強(qiáng)，直徑為500um的粗鋁線(xiàn)可承受直流約為23A的電流。鋁的熱膨脹系數(shù)為23×10-6K-1，與硅芯片的熱膨脹系數(shù)相差較大，在長(zhǎng)時(shí)間的功率循環(huán)過(guò)程中會(huì)在封裝體內(nèi)積累熱量，使模塊溫度升高，產(chǎn)生并積累熱應(yīng)力。很容易使鍵合引線(xiàn)斷裂或鍵合接觸表面脫落，最終導(dǎo)致模塊的整體失效。在通流能力要求較高的情況下，引線(xiàn)的數(shù)目過(guò)于龐大，會(huì)造成鍵合接觸表面產(chǎn)生裂紋。
 
為了提高鍵合引線(xiàn)的載流能力，鋁帶鍵合技術(shù)逐步發(fā)展起來(lái)，圖2所示為鋁帶鏈合實(shí)物圖。相比于鋁線(xiàn)鍵合，鋁帶的橫截面積大，可靠性高，不但提高了整體的通流能力，避免由于髙頻工作時(shí)造成的集膚效應(yīng)，而且還有效地減小了封裝體的厚度。表面積較大，散熱效果也比鋁線(xiàn)要好。鋁帶鍵合由于導(dǎo)電性能好，寄生電感小，在頻率高，電流大的工作情況下應(yīng)用較為廣泛，其缺點(diǎn)是不能大角度彎曲。

圖2 鋁帶鍵合實(shí)物圖

2. 銅線(xiàn)鍵合

由表1可知，銅線(xiàn)比鋁線(xiàn)的電阻率低，導(dǎo)電性能好，熱導(dǎo)率比鋁線(xiàn)高，散熱性能好?，F(xiàn)在功率模塊大多追求小體積、高功率密度和快散熱，銅線(xiàn)鍵合技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。圖3所示為銅線(xiàn)鍵合實(shí)物和銅帶鍵合實(shí)物。

圖3 銅材料鍵合實(shí)物圖

銅線(xiàn)的通流能力強(qiáng)，直徑400um的銅線(xiàn)可以承受直流約32.5A的電流，比鋁線(xiàn)的載流能力提高了71%。銅線(xiàn)鍵合技術(shù)的缺點(diǎn)也十分明顯。由于芯片表面多為鋁合金，銅線(xiàn)在鍵合前需要在芯片表面進(jìn)行電銀或者沉積，不但增加了成本，而且增加了在生產(chǎn)過(guò)程中復(fù)雜程度。銅材料的熱膨脹系數(shù)較大，與芯片不匹配，在功率循環(huán)工作條件下，產(chǎn)生的熱應(yīng)力累積，容易使鍵合引線(xiàn)脫落或芯片表面產(chǎn)生裂痕。
 

3. 鋁包銅線(xiàn)鍵合

綜合考慮鋁線(xiàn)與銅線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)人員研制了一種新型鍵合線(xiàn)，在銅線(xiàn)外層包裹一層厚度約為25~35um的鋁。鋁包銅線(xiàn)如圖4所示，由于其表面為鋁材料，在鍵合時(shí)不需要事先對(duì)芯片表面進(jìn)行化學(xué)電鍍處理，提高了系統(tǒng)的可靠性。鋁包銅線(xiàn)的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能均比鋁線(xiàn)要好，增加了鍵合引線(xiàn)的可靠性，提高了IGBT功率模塊的使用壽命。

圖4 鋁包銅線(xiàn)鍵合線(xiàn)

4. 金線(xiàn)/銀線(xiàn)鍵合

金線(xiàn)鍵合技術(shù)主要應(yīng)用在集成度較高的IC芯片封裝中，金線(xiàn)的熱導(dǎo)率較高，散熱效果好，電阻率比鋁線(xiàn)低，導(dǎo)電性強(qiáng)。金線(xiàn)的膨脹系數(shù)為14.2×10-6K-1，為所有常用鍵合金屬材料中最低的，與硅芯片的匹配性較其他鍵合材料要好。但由于其價(jià)格過(guò)于昂貴，限制了其在半導(dǎo)體封裝中的廣泛應(yīng)用。金線(xiàn)鍵合實(shí)物如圖5所示。
 

圖5 金線(xiàn)鍵合實(shí)物圖

銀鍵合線(xiàn)比金電阻率低，熱導(dǎo)率高，故無(wú)論從導(dǎo)電性還是散熱性都比較好，且其價(jià)格也相對(duì)較為便宜。銀線(xiàn)的熱膨脹系數(shù)較高，鍵合可靠性問(wèn)題是需要著重考慮的。

綜上所述，不同材料的鍵合引線(xiàn)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域不同，均有一定程度的優(yōu)缺點(diǎn)。線(xiàn)鍵合會(huì)有較大的寄生電感，多跟線(xiàn)鍵合時(shí)會(huì)有鄰近效應(yīng)和電流分配不均等問(wèn)題。帶鍵合雖然可有效地避免上述問(wèn)題，但工藝難度增加，相應(yīng)的增加制造成本。另外由于鍵合材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力積累，最終會(huì)影響功率器件的可靠性問(wèn)題。因此在選擇鍵合引線(xiàn)時(shí)需要綜合考慮工藝、功率器件可靠性和成本等方面。