IGBT芯片互連常用鍵合線材料特性

 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引線鍵合技術進行電氣連接。通過鍵合線使芯片間構成互連，形成回路。引線鍵合是IGBT功率器件內部實現電氣互連的主要方式之一。隨著制造工藝的快速發展，許多金屬鍵合線被廣泛的應用到IGBT功率模塊互連技術中。目前，常用的鍵合線有鋁線、金線、、銀線、銅線、鋁帶、銅片和鋁包銅線等。表1是引線鍵合技術中常用材料的性能。

 

 
  1. 鋁線鍵合

  鋁線鍵合是目前工業上應用最廣泛的一種芯片互連技術，鋁線鍵合技術工藝十分成熟，且價格低廉。鋁線根據直徑的不同分為細錫線和粗鋁線兩種，直徑小于100um的鋁線被稱為細鋁線，直徑大于100um小于500um的鋁線被稱為粗鋁線。粗鋁線鍵合實物如圖1所示。

 

 
  粗鋁線的載流能力比細鋁線強，直徑為500um的粗鋁線可承受直流約為23A的電流。鋁的熱膨脹系數為23×10-6K-1，與硅芯片的熱膨脹系數相差較大，在長時間的功率循環過程中會在封裝體內積累熱量，使模塊溫度升高，產生并積累熱應力。很容易使鍵合引線斷裂或鍵合接觸表面脫落，最終導致模塊的整體失效。在通流能力要求較高的情況下，引線的數目過于龐大，會造成鍵合接觸表面產生裂紋。
 
  為了提高鍵合引線的載流能力，鋁帶鍵合技術逐步發展起來，圖2所示為鋁帶鏈合實物圖。相比于鋁線鍵合，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造成的集膚效應，而且還有效地減小了封裝體的厚度。表面積較大，散熱效果也比鋁線要好。鋁帶鍵合由于導電性能好，寄生電感小，在頻率高，電流大的工作情況下應用較為廣泛，其缺點是不能大角度彎曲。

 

 
  2. 銅線鍵合

  由表1可知，銅線比鋁線的電阻率低，導電性能好，熱導率比鋁線高，散熱性能好。現在功率模塊大多追求小體積、高功率密度和快散熱，銅線鍵合技術得到了廣泛的應用。圖3所示為銅線鍵合實物和銅帶鍵合實物。

 

 
  銅線的通流能力強，直徑400um的銅線可以承受直流約32.5A的電流，比鋁線的載流能力提高了71%。銅線鍵合技術的缺點也十分明顯。由于芯片表面多為鋁合金，銅線在鍵合前需要在芯片表面進行電銀或者沉積，不但增加了成本，而且增加了在生產過程中復雜程度。銅材料的熱膨脹系數較大，與芯片不匹配，在功率循環工作條件下，產生的熱應力累積，容易使鍵合引線脫落或芯片表面產生裂痕。
 

  3. 鋁包銅線鍵合

  綜合考慮鋁線與銅線的優缺點，研發人員研制了一種新型鍵合線，在銅線外層包裹一層厚度約為25~35um的鋁。鋁包銅線如圖4所示，由于其表面為鋁材料，在鍵合時不需要事先對芯片表面進行化學電鍍處理，提高了系統的可靠性。鋁包銅線的導電性能和導熱性能均比鋁線要好，增加了鍵合引線的可靠性，提高了IGBT功率模塊的使用壽命。

 

 
  4. 金線/銀線鍵合

  金線鍵合技術主要應用在集成度較高的IC芯片封裝中，金線的熱導率較高，散熱效果好，電阻率比鋁線低，導電性強。金線的膨脹系數為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。但由于其價格過于昂貴，限制了其在半導體封裝中的廣泛應用。金線鍵合實物如圖5所示。
 
  銀鍵合線比金電阻率低，熱導率高，故無論從導電性還是散熱性都比較好，且其價格也相對較為便宜。銀線的熱膨脹系數較高，鍵合可靠性問題是需要著重考慮的。

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