半導體封裝引線為什麼是銅引線

① LED中為什麼要用金線做導線銅線不可以嗎

銅線和金線的優缺點
zhs146 發表於: 2008-1-19 22:20 來源: 半導體技術天地

這里有一份銅線和金線的詳細試驗結果與分析

1 引言
絲球焊是引線鍵合中最具代表性的焊接技術，它是在一定的溫度下，作用鍵合工具劈刀的壓力，並載入超聲振動，將引線一端鍵合在IC晶元的金屬法層上，另一端鍵合到引線框架上或PCB便的焊盤上，實現晶元內部電路與外圍電路的電連接，由於絲球焊操作方便、靈活、而且焊點牢固，壓點面積大（為金屬絲直徑的2.5－3倍），又無方向性，故可實現高速自動化焊接[1]。
絲球焊廣泛採用金引線，金絲具有電導率大、耐腐蝕、韌性好等優點，廣泛應用於集成電路，鋁絲由於存在形球非常困難等問題，只能採用楔鍵合，主要應用在功率器件、微波器件和光電器件，隨著高密度封裝的發展，金絲球焊的缺點將日益突出，同時微電子行業為降低成本、提高可靠性，必將尋求工藝性能好、價格低廉的金屬材料來代替價格昂貴的金，眾多研究結果表明銅是金的最佳替代品[2－6]。
銅絲球焊具有很多優勢：
（1）價格優勢：引線鍵合中使用的各種規格的銅絲，其成本只有金絲的1/3－1/10。
（2）電學性能和熱學性能：銅的電導率為0.62（μΩ/cm）－1，比金的電導率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同時銅的熱導率也高於金，因此在直徑相同的條件下銅絲可以承載更大電流，使得銅引線不僅用於功率器件中，也應用於更小直徑引線以適應高密度集成電路封裝；
（3）機械性能：銅引線相對金引線的高剛度使得其更適合細小引線鍵合；
（4）焊點金屬間化合物：對於金引線鍵合到鋁金屬化焊盤，對界面組織的顯微結構及界面氧化過程研究較多，其中最讓人們關心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）問題，並且因Au和Al兩種元素的擴散速率不同，導致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋。降低了焊點力學性能和電學性能[7，8]，對於銅引線鍵合到鋁金屬化焊盤，研究的相對較少，Hyoung－Joon Kim等人[9]認為在同等條件下，Cu/Al界面的金屬間化合物生長速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，銅絲球焊焊點的可靠性要高於金絲球焊焊點。
1992年8月，美國國家半導體公司開始將銅絲球焊技術正式運用在實際生產中去，但目前銅絲球焊所佔引線鍵合的比例依然很少，主要是因此銅絲球焊技術面臨著一些難點：
（1）銅容易被氧化，鍵合工藝不穩定，
（2）銅的硬度、屈服強度等物理參數高於金和鋁。鍵合時需要施加更大的超聲能量和鍵合壓力，因此容易對硅晶元造成損傷甚至是破壞。
本文採用熱壓超聲鍵合的方法，分別實現Au引線和Cu引線鍵合到Al-1％Si-0.5％Cu金屬化焊盤，對比考察兩種焊點在200℃老化過程中的界面組織演變情況，焊點力學性能變化規律，焊點剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊點不同失效模式產生的原因及其和力學性能的相關關系。

2 試驗材料及方法
鍵合設備採用K＆S公司生產的Nu-Tek絲球焊機，超聲頻率為120m赫茲，銅絲球焊時，增加了一套Copper Kit防氧化保護裝置，為燒球過程和鍵合過程提供可靠的還原性氣體保護（95％N25％H2），晶元焊盤為Al＋1％Si＋0.5％Cu金屬化層，厚度為3μm。引線性能如表1所示。

採用DOE實驗對鍵合參數（主要為超聲功率、鍵合時間、鍵合壓力和預熱溫度四個參數）進行了優化，同時把能量施加方式做了改進，採用兩階段能量施加方法進行鍵合，首先在接觸階段（第一階段），以較大的鍵合壓力和較低的超聲功率共同作用於金屬球（FAB），使其發生較大的塑性變形，形成焊點的初步形貌；隨之用較低的鍵合壓力和較高超聲功率來完成最後的連接過程（第二階段），焊點界面結合強度主要取決於第二階段，本文所採用的鍵合參數，如表2所示。

為加速焊點界面組織演變，在200℃下採用恆溫老化爐進行老化實驗，老化時間分別為n2天（n＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。為防止焊點在老化過程中被氧化，需要在老化過程中進行氮氣保護。
焊點的橫截面按照標準的制樣過程進行制備。但由於焊點的尺寸原因需要特別精心，首先採用樹脂進行密封，在水砂紙上掩模到2000號精度，保證橫截面在焊點正中，再採用1.0μm粒度的金剛石掩模劑在金絲絨專用布上拋光，HITACHIS－4700掃描電鏡抓取了試樣表面的被散射電子像，EDX分析界面組成成分。
剪切實驗和拉伸實驗是研究焊點力學性能和失效模式的主要實驗方法，採用Royce 580測試儀對各種老化條件下的焊點進行剪切實驗和拉伸實驗，記錄焊點的剪切斷裂載荷和拉伸斷裂載荷，剪切實驗時，劈刀距離焊盤表面4μm，以5μm/s的速度沿水平方向推動焊點，Olympus STM6光學顯微鏡觀察記錄焊點失效模式，對於每個老化條件，分別48個焊點用於剪切實驗和拉伸實驗，以滿足正態分布。

3 試驗結果與分析
3.1 金、銅絲球焊焊點金屬間化合物成長
絲球焊是在一定的溫度和壓力下，超聲作用很短時間內（一般為幾十毫秒）完成，而且鍵合溫度遠沒有達到金屬熔點，原子互擴散來不及進行，因此在鍵合剛結束時很難形成金屬間化合物，對焊點進行200℃老化，如圖1所示。金絲球焊焊點老化1天形成了約8μm厚的金屬間化合物層，EDX成分分析表明生成的金屬間化合物為Au4Al為和Au5AL2，老化時間4天時出現了明顯的Kirkendall空洞，銅絲球焊焊點生成金屬間化合物的速率要比金絲球焊慢很多，如圖2所示，在老化9天後沒有發現明顯的金屬間化合物，在老化16天時，發現了很薄的Cu/Al金屬間化合物層（由於Cu和Al在300℃以下固溶度非常小，因此認為生成的Cu/Al相是金屬間化合物），圖3顯示了老化121天時其厚度也不超過1μm，沒有出現kirkendall空洞。

在溫度、壓力等外界因素一定的情況下，影響兩種元素生成金屬間化合物速率的主要因素有晶格類型、原子尺寸、電負性、原子序數和結合能。Cu和Au都是面心立方晶格，都為第IB族元素，而且結合能相近，但是Cu與Al原子尺寸差比Au與AL原子尺寸差大，Cu和AL電負性差較小，導致Cu/Al生成金屬間化合物比Au/Al生成金屬間化合物慢。
3.2 金、銅絲球焊焊點剪切斷裂載荷和失效模式
圖4顯示了金、銅絲球焊第一焊點（球焊點）剪切斷裂載荷老化時間的變化，可以看到，無論對於金球焊點還是銅球焊點，其剪切斷裂載荷在很長一段時間內隨老化時間增加而增加，隨後剪切斷裂載荷下降，這主要與不同老化階段剪切失效模式不同有關，同時可以發現，銅球焊點具有比金球焊點更穩定的剪切斷裂載荷，並且在未老化及老化一定時間內，銅球焊點的剪切斷裂載荷比金球焊點好，老化時間增長後，銅球焊點剪切斷裂載荷不如金球焊點，但此時金球焊點內部出現大量Kirkendall空洞及裂紋，導致其電氣性能急劇下降，而銅球焊點沒有出現空洞及裂紋，其電氣性能較好。

對於金球焊點，剪切實驗共發現了5種失效模式：完全剝離（沿球與鋁層界面剝離）、金球殘留、鋁層斷裂、球內斷裂和彈坑，圖5顯示了金球焊點剪切失效模式隨老化時間的變化，未老化時，Au/Al為還沒有形成金屬間化合物，剪切失效模式為完全剝離，由於Au/Al老化過程中很快生成金屬間化合物，失效模式在老化初期馬上發展為以鋁層剝離為主：隨後，鋁層消耗完畢，老化中期失效模式以金球殘留為主，此時斷裂發生在金屬間化合物與金球界面；老化100天以後金球內部斷裂急劇增加，成為主要失效模式，導致剪切斷裂載荷降低。
對於銅球焊點，剪切實驗共發現了4種失效模式：完全剝離、銅球殘留、鋁層斷裂和彈坑。圖6顯示了銅球焊點剪切失效模式隨老化時間的變化，由於銅球焊點200℃時生成金屬間化合物很慢，因此其剪切失效模式在老化較長時間內以完全剝離為主：彈坑隨老化進行逐漸增多，尤其老化81天後，應力型彈坑大量增加，導致剪切斷裂載荷下降，圖7所示為彈坑數量隨老化時間變化，需要說明的是彈坑包括應力型彈坑和剪切性彈坑，應力型彈坑為剪切實驗之前就已經存在的缺陷，而剪切型彈坑是由於接頭連接強度高，在剪切實驗過程中產生，因此只有應力型彈坑是導致剪切斷裂載荷下降的原因，相對金球焊點，銅球焊點剪切出現彈坑較多，主要是因為銅絲球焊鍵合壓力比金絲球焊大。

2.3 金、銅絲球焊拉伸斷裂載荷和失效模式
圖8顯示了金、銅絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時間的變化，金絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時間變化不大，拉伸斷裂模式以第一焊點和中間引線斷裂為主。銅絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時間不斷下降，由於銅的塑性比金差，而且銅絲球焊第二焊點鍵合壓力比金絲球焊大很多，因此銅絲球焊第二焊點比金絲球焊變形損傷大，銅絲球焊拉伸時容易發生第二焊點斷裂，第二焊點斷裂又分為魚尾處斷裂（根部斷裂）和焊點剝離（引線和焊盤界面剝離），如圖9所示，銅絲球焊拉伸在老化初期為魚尾處斷裂，老化16天以後焊點剝離逐漸增多，主要是因為銅絲球焊老化過程中第二焊點被氧化，從而也導致拉伸斷裂載荷下降。

4 結論
（1）銅絲球焊焊點的金屬間化合物生長速率比金絲球焊焊點慢得多，認為Cu與Al原子尺寸差Au與Al原子尺寸差大，Cu和Al電負性差較小是其本質原因。
（2）銅絲球焊焊點具有比金絲球焊焊點更穩定的剪切斷裂載荷，並且在老化一定時間內銅絲球焊焊點表現出更好的力學性能。
（3）銅絲球焊焊點和金絲球焊焊點老化後的失效模式有較大差別。

沒錢的看看,圖片粘貼不上
暴沖弧圈 at 2008-1-22 09:59:00
對於銅絲壓焊來說，晶元的鋁層成分必須改善，以增加鋁層硬度，但是對於鋁層反射率來講，是提高好一些還是降低好一些呢，希望哪位大俠給予答復，謝謝！
Sam8848 at 2008-1-22 10:51:06
還是厚一些吧，銅線太硬了！
123qweasdf at 2008-1-23 09:07:51
樓下的太好了，都貼出來啊
shaiya at 2008-1-23 09:43:10
厄 搞什麼啊 怎麼2個一樣的啊
xxh at 2008-2-19 15:49:17
學習一下，謝謝LZ分享
binchang at 2008-2-22 16:33:03
這兄弟太偉大了,,劫富濟貧啊~~~~~~```

② 有哪些元器件需要用到銅引線的

哎喲 要到銅線的可多了呢
本來電子元器件就很多
采購元件連接器當然還是上萬庫網

③ 半導體封裝對應的引線框架是特定的嗎

半導體封裝的引線架Lead frame 是依晶元設計而定，不同級別有不同的LF規范，也有通用引線架; 但在高階封測高端晶元就必需用特定的;

④ 引線是銅絲

暈

那個是用電池的

一節五號電池正極接一根銅線，負極接一根銅線，就可以了

⑤ 半導體二極體實質上是加上一個電極引線,經過封裝的什麼

半導體二極體實質上是加上一個電極引線的、經過封裝的PN節。。。。。。

⑥ 引線框架為什麼不用熱鍍錫

KFC引線框架銅帶屬Cu-Fe-P系銅合金，它具有高導電性、高導熱性，良好的耐蝕性內、耐氧化性、耐疲勞性容和較高的抗拉強度、延展性、硬度等許多優良特性。該產品主要用於製造分離式半導體引線框架和新型分立器件等

⑦ 引線框架的是什麼銅帶

KFC引線框架銅帶屬Cu-Fe-P系銅合金，它具有高導電性、高導熱性，良好的耐蝕性、版耐氧化性、耐疲勞性和較高的抗拉強權度、延展性、硬度等許多優良特性。該產品主要用於製造分離式半導體引線框架和新型分立器件等

⑧ 電子元器件引腳為什麼用銅包鋼

電子元器件的引腳材質選擇是一個十分專業的問題。據我所知，早在上世紀70年代，國內有關部門曾就此問題專門召開過多次研討會。研討的具體內容不了解，但據生產廠家的技術人員講，不是材質問題（當時元器件引腳除特殊封裝的元器件外，電阻、電容等都使用銅質引線），主要是封裝工藝和引腳表面處理問題。
查閱了一些資料，包括航天級、軍工級等對元器件的要求，並沒有特殊註明引腳的材質問題，主要是對元器件的封裝形式、電氣性能、機械性能、溫度系數、分布參數、抗輻射能力等方面的要求。原來我也認為純銅引腳的元器件質量較好，但多年以來，使用了大量的元器件，其中絕大部分引腳都是「可以用磁鐵吸起來的」，引腳表面光亮，可焊性極好，還沒發現焊接不良、影響電路調試和正常工作以及日久引腳銹蝕等問題。反而，在使用手中保存的一些2W的金屬膜電阻（70年代生產的，絕對是連引線帽都是純銅的軍工級產品）時，出現了引腳在焊接時不容易沾錫的情況，必須把引腳表面的塗覆層全部刮掉，然後在銅引線表面預先上錫，才能可靠焊接。
我認為，元器件的引腳材質的變化，對於電子行業來說是一種進步，保證性能，降低成本，對廠商和使用部門都有好處。好多國際名牌電子元器件的引腳，也都不是純銅的。因此，只要不影響元器件的性能和機械指標，無需關注引腳的材質問題。
再談一下元器件封裝和性能對引腳的要求。
1、「可以用磁鐵吸起來的」，不代表肯定就是銅包鋼，玻殼封裝的元器件（玻封二極體、干簧管、氣體放電管等），引腳大都是「可伐材料」（註：一種鐵鎳鈷合金，也是鐵磁性材料）製作的，使其與玻殼材料緊密結合不透氣。
2、元件引腳使用銅包鋼，表面是銅加塗敷層，用於加強可焊性，與銅引腳加塗敷層的抗銹蝕能力沒有區別，你提問中的「為什麼不用銅引腳或鋁引腳？還有銅包鋁，黃銅也可選擇啊！銅包鋼導電太差了吧？而且很容易銹蝕」前後矛盾。要知道，銅包鋼不等於鋼包銅。
3、為什麼不用鋁做引腳：鋁是一種輕金屬材料，化學性能比較活潑，其特點是，在空氣中易與氧結合，在表面生成緻密的氧化物薄膜，而其氧化薄膜又使鋁不易被腐蝕，實際生活中的鋁，化學性能還是相當穩定的，不存在「在空氣中很快氧化變成粉狀物」的問題。不用鋁做元器件引腳主要是由於其可焊性差，使用通常的錫焊工藝不能焊接，必須使用特殊的助焊劑才行。由於鋁的導電性能較好，比重較輕，近年來又出現了銅包鋁的材質做元器件引腳的生產工藝，效果也很好。
4、對於要求較高的元器件，有些引腳還採用了表面鍍銀和鍍金做法，增強導電性能，極高抗腐蝕能力；還有無引腳的元器件，在元器件布件密度高，要求分布參數盡量小的精密電子設備中應用也越來越廣泛。
以上是對元器件引腳問題的一些粗淺看法，有謬誤之處，歡迎批評。

⑨ 在半導體行業中，金屬引線框架的作用是什麼

金屬引線框架, 簡稱框架，英文leadframe。
將晶元焊接在框架上，再將晶元的功能區用金線或銅線連接到框架上形成迴路。

⑩ 半導體框架to，dip都是什麼引線框架

LED引腳式封裝採用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發成功投放市場的封裝結構，專品種數量繁多，技屬術成熟度較高，封裝內結構與反射層仍在不斷改進。標准LED被大多數客戶認為是目前顯示行業中最方便、最經濟的解決方案，典型的傳統LED安置在能承受0．1W輸入功率的包封內，其90％的熱量是由負極的引腳架散發至PCB板，再散發到空氣中，如何降低工作時pn結的溫升是封裝與應用必須考慮的。包封材料多採用高溫固化環氧樹脂，其光性能優良，工藝適應性好，產品可*性高，可做成有色透明或無色透明和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡形狀構成多種外形及尺寸，例如，圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4．4mm、Φ5mm、Φ7mm等數種，環氧樹脂的不同組份可產生不同的發光效果。