半导体封装引线为什么是铜引线

① LED中为什么要用金线做导线铜线不可以吗

铜线和金线的优缺点
zhs146 发表于: 2008-1-19 22:20 来源: 半导体技术天地

这里有一份铜线和金线的详细试验结果与分析

1 引言
丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。
丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品[2－6]。
铜丝球焊具有很多优势：
（1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3－1/10。
（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（μΩ/cm）－1，比金的电导率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；
（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合；
（4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能[7，8]，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoung－Joon Kim等人[9]认为在同等条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。
1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点：
（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定，
（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。
本文采用热压超声键合的方法，分别实现Au引线和Cu引线键合到Al-1％Si-0.5％Cu金属化焊盘，对比考察两种焊点在200℃老化过程中的界面组织演变情况，焊点力学性能变化规律，焊点剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和力学性能的相关关系。

2 试验材料及方法
键合设备采用K＆S公司生产的Nu-Tek丝球焊机，超声频率为120m赫兹，铜丝球焊时，增加了一套Copper Kit防氧化保护装置，为烧球过程和键合过程提供可靠的还原性气体保护（95％N25％H2），芯片焊盘为Al＋1％Si＋0.5％Cu金属化层，厚度为3μm。引线性能如表1所示。

采用DOE实验对键合参数（主要为超声功率、键合时间、键合压力和预热温度四个参数）进行了优化，同时把能量施加方式做了改进，采用两阶段能量施加方法进行键合，首先在接触阶段（第一阶段），以较大的键合压力和较低的超声功率共同作用于金属球（FAB），使其发生较大的塑性变形，形成焊点的初步形貌；随之用较低的键合压力和较高超声功率来完成最后的连接过程（第二阶段），焊点界面结合强度主要取决于第二阶段，本文所采用的键合参数，如表2所示。

为加速焊点界面组织演变，在200℃下采用恒温老化炉进行老化实验，老化时间分别为n2天（n＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。为防止焊点在老化过程中被氧化，需要在老化过程中进行氮气保护。
焊点的横截面按照标准的制样过程进行制备。但由于焊点的尺寸原因需要特别精心，首先采用树脂进行密封，在水砂纸上掩模到2000号精度，保证横截面在焊点正中，再采用1.0μm粒度的金刚石掩模剂在金丝绒专用布上抛光，HITACHIS－4700扫描电镜抓取了试样表面的被散射电子像，EDX分析界面组成成分。
剪切实验和拉伸实验是研究焊点力学性能和失效模式的主要实验方法，采用Royce 580测试仪对各种老化条件下的焊点进行剪切实验和拉伸实验，记录焊点的剪切断裂载荷和拉伸断裂载荷，剪切实验时，劈刀距离焊盘表面4μm，以5μm/s的速度沿水平方向推动焊点，Olympus STM6光学显微镜观察记录焊点失效模式，对于每个老化条件，分别48个焊点用于剪切实验和拉伸实验，以满足正态分布。

3 试验结果与分析
3.1 金、铜丝球焊焊点金属间化合物成长
丝球焊是在一定的温度和压力下，超声作用很短时间内（一般为几十毫秒）完成，而且键合温度远没有达到金属熔点，原子互扩散来不及进行，因此在键合刚结束时很难形成金属间化合物，对焊点进行200℃老化，如图1所示。金丝球焊焊点老化1天形成了约8μm厚的金属间化合物层，EDX成分分析表明生成的金属间化合物为Au4Al为和Au5AL2，老化时间4天时出现了明显的Kirkendall空洞，铜丝球焊焊点生成金属间化合物的速率要比金丝球焊慢很多，如图2所示，在老化9天后没有发现明显的金属间化合物，在老化16天时，发现了很薄的Cu/Al金属间化合物层（由于Cu和Al在300℃以下固溶度非常小，因此认为生成的Cu/Al相是金属间化合物），图3显示了老化121天时其厚度也不超过1μm，没有出现kirkendall空洞。

在温度、压力等外界因素一定的情况下，影响两种元素生成金属间化合物速率的主要因素有晶格类型、原子尺寸、电负性、原子序数和结合能。Cu和Au都是面心立方晶格，都为第IB族元素，而且结合能相近，但是Cu与Al原子尺寸差比Au与AL原子尺寸差大，Cu和AL电负性差较小，导致Cu/Al生成金属间化合物比Au/Al生成金属间化合物慢。
3.2 金、铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式
图4显示了金、铜丝球焊第一焊点（球焊点）剪切断裂载荷老化时间的变化，可以看到，无论对于金球焊点还是铜球焊点，其剪切断裂载荷在很长一段时间内随老化时间增加而增加，随后剪切断裂载荷下降，这主要与不同老化阶段剪切失效模式不同有关，同时可以发现，铜球焊点具有比金球焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在未老化及老化一定时间内，铜球焊点的剪切断裂载荷比金球焊点好，老化时间增长后，铜球焊点剪切断裂载荷不如金球焊点，但此时金球焊点内部出现大量Kirkendall空洞及裂纹，导致其电气性能急剧下降，而铜球焊点没有出现空洞及裂纹，其电气性能较好。

对于金球焊点，剪切实验共发现了5种失效模式：完全剥离（沿球与铝层界面剥离）、金球残留、铝层断裂、球内断裂和弹坑，图5显示了金球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，未老化时，Au/Al为还没有形成金属间化合物，剪切失效模式为完全剥离，由于Au/Al老化过程中很快生成金属间化合物，失效模式在老化初期马上发展为以铝层剥离为主：随后，铝层消耗完毕，老化中期失效模式以金球残留为主，此时断裂发生在金属间化合物与金球界面；老化100天以后金球内部断裂急剧增加，成为主要失效模式，导致剪切断裂载荷降低。
对于铜球焊点，剪切实验共发现了4种失效模式：完全剥离、铜球残留、铝层断裂和弹坑。图6显示了铜球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，由于铜球焊点200℃时生成金属间化合物很慢，因此其剪切失效模式在老化较长时间内以完全剥离为主：弹坑随老化进行逐渐增多，尤其老化81天后，应力型弹坑大量增加，导致剪切断裂载荷下降，图7所示为弹坑数量随老化时间变化，需要说明的是弹坑包括应力型弹坑和剪切性弹坑，应力型弹坑为剪切实验之前就已经存在的缺陷，而剪切型弹坑是由于接头连接强度高，在剪切实验过程中产生，因此只有应力型弹坑是导致剪切断裂载荷下降的原因，相对金球焊点，铜球焊点剪切出现弹坑较多，主要是因为铜丝球焊键合压力比金丝球焊大。

2.3 金、铜丝球焊拉伸断裂载荷和失效模式
图8显示了金、铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间的变化，金丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间变化不大，拉伸断裂模式以第一焊点和中间引线断裂为主。铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间不断下降，由于铜的塑性比金差，而且铜丝球焊第二焊点键合压力比金丝球焊大很多，因此铜丝球焊第二焊点比金丝球焊变形损伤大，铜丝球焊拉伸时容易发生第二焊点断裂，第二焊点断裂又分为鱼尾处断裂（根部断裂）和焊点剥离（引线和焊盘界面剥离），如图9所示，铜丝球焊拉伸在老化初期为鱼尾处断裂，老化16天以后焊点剥离逐渐增多，主要是因为铜丝球焊老化过程中第二焊点被氧化，从而也导致拉伸断裂载荷下降。

4 结论
（1）铜丝球焊焊点的金属间化合物生长速率比金丝球焊焊点慢得多，认为Cu与Al原子尺寸差Au与Al原子尺寸差大，Cu和Al电负性差较小是其本质原因。
（2）铜丝球焊焊点具有比金丝球焊焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在老化一定时间内铜丝球焊焊点表现出更好的力学性能。
（3）铜丝球焊焊点和金丝球焊焊点老化后的失效模式有较大差别。

没钱的看看,图片粘贴不上
暴冲弧圈 at 2008-1-22 09:59:00
对于铜丝压焊来说，芯片的铝层成分必须改善，以增加铝层硬度，但是对于铝层反射率来讲，是提高好一些还是降低好一些呢，希望哪位大侠给予答复，谢谢！
Sam8848 at 2008-1-22 10:51:06
还是厚一些吧，铜线太硬了！
123qweasdf at 2008-1-23 09:07:51
楼下的太好了，都贴出来啊
shaiya at 2008-1-23 09:43:10
厄 搞什么啊 怎么2个一样的啊
xxh at 2008-2-19 15:49:17
学习一下，谢谢LZ分享
binchang at 2008-2-22 16:33:03
这兄弟太伟大了,,劫富济贫啊~~~~~~```

② 有哪些元器件需要用到铜引线的

哎哟 要到铜线的可多了呢
本来电子元器件就很多
采购元件连接器当然还是上万库网

③ 半导体封装对应的引线框架是特定的吗

半导体封装的引线架Lead frame 是依芯片设计而定，不同级别有不同的LF规范，也有通用引线架; 但在高阶封测高端芯片就必需用特定的;

④ 引线是铜丝

晕

那个是用电池的

一节五号电池正极接一根铜线，负极接一根铜线，就可以了

⑤ 半导体二极管实质上是加上一个电极引线,经过封装的什么

半导体二极管实质上是加上一个电极引线的、经过封装的PN节。。。。。。

⑥ 引线框架为什么不用热镀锡

KFC引线框架铜带属Cu-Fe-P系铜合金，它具有高导电性、高导热性，良好的耐蚀性内、耐氧化性、耐疲劳性容和较高的抗拉强度、延展性、硬度等许多优良特性。该产品主要用于制造分离式半导体引线框架和新型分立器件等

⑦ 引线框架的是什么铜带

KFC引线框架铜带属Cu-Fe-P系铜合金，它具有高导电性、高导热性，良好的耐蚀性、版耐氧化性、耐疲劳性和较高的抗拉强权度、延展性、硬度等许多优良特性。该产品主要用于制造分离式半导体引线框架和新型分立器件等

⑧ 电子元器件引脚为什么用铜包钢

电子元器件的引脚材质选择是一个十分专业的问题。据我所知，早在上世纪70年代，国内有关部门曾就此问题专门召开过多次研讨会。研讨的具体内容不了解，但据生产厂家的技术人员讲，不是材质问题（当时元器件引脚除特殊封装的元器件外，电阻、电容等都使用铜质引线），主要是封装工艺和引脚表面处理问题。
查阅了一些资料，包括航天级、军工级等对元器件的要求，并没有特殊注明引脚的材质问题，主要是对元器件的封装形式、电气性能、机械性能、温度系数、分布参数、抗辐射能力等方面的要求。原来我也认为纯铜引脚的元器件质量较好，但多年以来，使用了大量的元器件，其中绝大部分引脚都是“可以用磁铁吸起来的”，引脚表面光亮，可焊性极好，还没发现焊接不良、影响电路调试和正常工作以及日久引脚锈蚀等问题。反而，在使用手中保存的一些2W的金属膜电阻（70年代生产的，绝对是连引线帽都是纯铜的军工级产品）时，出现了引脚在焊接时不容易沾锡的情况，必须把引脚表面的涂覆层全部刮掉，然后在铜引线表面预先上锡，才能可靠焊接。
我认为，元器件的引脚材质的变化，对于电子行业来说是一种进步，保证性能，降低成本，对厂商和使用部门都有好处。好多国际名牌电子元器件的引脚，也都不是纯铜的。因此，只要不影响元器件的性能和机械指标，无需关注引脚的材质问题。
再谈一下元器件封装和性能对引脚的要求。
1、“可以用磁铁吸起来的”，不代表肯定就是铜包钢，玻壳封装的元器件（玻封二极管、干簧管、气体放电管等），引脚大都是“可伐材料”（注：一种铁镍钴合金，也是铁磁性材料）制作的，使其与玻壳材料紧密结合不透气。
2、元件引脚使用铜包钢，表面是铜加涂敷层，用于加强可焊性，与铜引脚加涂敷层的抗锈蚀能力没有区别，你提问中的“为什么不用铜引脚或铝引脚？还有铜包铝，黄铜也可选择啊！铜包钢导电太差了吧？而且很容易锈蚀”前后矛盾。要知道，铜包钢不等于钢包铜。
3、为什么不用铝做引脚：铝是一种轻金属材料，化学性能比较活泼，其特点是，在空气中易与氧结合，在表面生成致密的氧化物薄膜，而其氧化薄膜又使铝不易被腐蚀，实际生活中的铝，化学性能还是相当稳定的，不存在“在空气中很快氧化变成粉状物”的问题。不用铝做元器件引脚主要是由于其可焊性差，使用通常的锡焊工艺不能焊接，必须使用特殊的助焊剂才行。由于铝的导电性能较好，比重较轻，近年来又出现了铜包铝的材质做元器件引脚的生产工艺，效果也很好。
4、对于要求较高的元器件，有些引脚还采用了表面镀银和镀金做法，增强导电性能，极高抗腐蚀能力；还有无引脚的元器件，在元器件布件密度高，要求分布参数尽量小的精密电子设备中应用也越来越广泛。
以上是对元器件引脚问题的一些粗浅看法，有谬误之处，欢迎批评。

⑨ 在半导体行业中，金属引线框架的作用是什么

金属引线框架, 简称框架，英文leadframe。
将芯片焊接在框架上，再将芯片的功能区用金线或铜线连接到框架上形成回路。

⑩ 半导体框架to，dip都是什么引线框架

LED引脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，专品种数量繁多，技属术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，典型的传统LED安置在能承受0．1W输入功率的包封内，其90％的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中，如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂，其光性能优良，工艺适应性好，产品可*性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸，例如，圆形按直径分为Φ2mm、Φ3mm、Φ4．4mm、Φ5mm、Φ7mm等数种，环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。