金线键合与铜线键合的性能比较

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• 日期: 2017-04-28
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  引线键合工艺广泛应用于芯片上的终端与半导体器件外部引线的连接。引线键合所使用的连接线一般由金制成，因为金具有抗氧化侵蚀能力和高导电性，同时可以很容易地通过热压缩法和超声波焊接技术键合到指定位置。
    最近，铜作为金线键合的替代材料已经快速取得稳固地位，它的部分优势包括较高的导电性和导热性， 较少形成金属互化物，同时具备更好的机械稳定性。
    本文试图对铜与金引线导电性和导热性能方面的差异进行量化，从而实现直接比较。根据材料对焊接引线寄生效应的影响，以及对封装级信号完整性的影响，对导电性能进行评估。导热性能则通过对两种引线对散热性能的提高方面进行比较。同时还对直径在 0.7-1.3 mil 之间的铜线和金线的性能进行了评估。
    通过焊线的电流
    人们通常认为电流总是通过最小阻力的路径，但这句话只对于直流电是正确的。当直流电信号进行任何转换时，电流会选择阻抗最小的路径。在频率足够高时（在兆赫范围内），最小阻抗路径即为最小电感路径。
    电流总以回路形式流动，不论该回路由信号和回路导线构成还是由电源和地线组成。因此，最小阻抗路径通常为最小回路电感，同时考虑回路的两引线之间相互连接的额外因素。
    阻抗是由电阻和电抗部分确定的，如等式1中所示。
 
    电抗可以是电容性的、电感性的或两者都有。焊线主要是电感，电容效应可以忽略不计，因此，在所有计算中均忽略电容。
    感抗是由下列关系（等式2）确定的，并与正弦切换频率和回线电感成正比。
 
 
    图1. 在本图中，与电源相联的导体（焊线）对信号导体没有影响。信号回路电流循环以紫色显示。
    图1显示导体（焊线）与电源相连，并假定回路对信号导体没有影响 （回路导体的磁力线与信号不重叠）。
    在切换频率接近直流时，电抗部分不存在或可忽略不计，因此，电流将通过导体整个表面迫使自己流入最小阻力路径。当频率增加时，电抗部分开始成为总阻抗的主要部分，同时，电流开始重新分配，电感被最小化。
    电感依赖于导体周围的磁力线数量，若使其最小化，磁力线的数量必须减少。通过重新分配更多电流至导体外层，磁力线的数量随着导体的减少（图2），会降低电感。当频率达到或高于几百兆赫时，多数电流将集中在导体的外层。
 
    图2. 电感依赖于导体周围的磁力线的数量，若使其最小化，磁力线的数量必须减少。
    图3示出了频率分别为10 MHz, 100 MHz 和1 GHz时，焊线的电流分布横截面。表中列出了从直流到1 GHz.过程中的阻抗的     电阻部分和电抗部分。从图中可以明显看出，频率为10 MHz 时，电流占据了几乎整个横截面，与之相对应的是，当 1 GHz 时，电流主要占据在外层。
 
图3. 当频率分别为10 MHz, 100 MHz和1 GHz时，引线的电流分配横截面。
 
    当频率范围达到约10兆赫时，阻抗的电阻部分占主导地位，电流会在导体的横截面从内向外分布。当达到100兆赫或更高时，电抗占据主导地位，并且电流主要集中在外层，并试图使电感最小化。电感本身并不随频率的变化而明显地改变，几乎一直保持在100兆赫以上，当由直流到100兆赫时，减少幅度在5％以内。
   邻近效应
   在前例中，假定前提是信号离回路很远，并且没有回路导体磁场的影响。但是，在大多数应用情况下，当信号导体与回路邻近时，回路导体磁力线很可能会与信号导体重叠。
    当通过信号和回路导体的电流向反方向流动时，重叠的磁力线会相互抵消，两者之间的相互电感会减少总的回路电感。随着频率的增加，电流重新分配至两个导体，并形成最紧密的回路，使所遇到的磁力线的数目达到最小，因此，将两者的边尽可能地靠近（图4）。因邻近的回路降低了回路电感，使得总阻抗同时减少。

    图4. 信号和回路频率分别为10 MHz和1 GHz时的电流分布。随着频率增加，电流重新分配至两个导体，并形成最紧密的回路，使所遇到的磁力线的数目达到最少，因此，将两者的边尽可能地靠近。
   典型焊线形状
   在典型焊线应用中，两条线之间的距离一般是芯片压焊点至封装引线之间的线长。芯片压焊点一侧的焊线余隙为2mils，在封装引线一侧的焊线余隙为8 mils以内。因此，在线的长度范围内，磁场分布会发生变化，同时也会改变从芯片至封装的焊线回路的阻抗。直径为1 mil的金焊线的电流分配如图5和6所示。
 
     图5. 当跨距分别为2 mil 和 8 mil时，1 GHz电流分配之间的对比。
 
    图6. 当跨距分别为2 mil 和 8 mil时，1 GHz电流分配之间的对比。
 
    跨距为 2 mil时的交流电阻稍高于跨距为8 mil时的电阻，因为跨距为 2 mil时的电流分配比跨距为 8 mil时的更集中。直流电阻在两中情况下完全相同。回路电感在跨距为 2 mil和8 mil的焊线之间存在极大的差异。对于跨距为8 mil的焊线，回路电感约为1.35 nH/mm，对于跨距为2 mil的焊线，其回路电感仅为0.8 nH/mm。回路电感产生如此巨大差异是因为对2 mil跨距焊线而言，信号与回路之间的跨距越小，磁场相消越明显，并且伴随着相互电感的增加，随之也减少了有效的回路电感。对于较大的跨距而言，信号和回路之音较宽，外加几乎没有磁场重叠，从而产生较高的回路电感。
    为了说明电阻-电感和阻抗存在的差异，通过跨距在2mil之间的四个不同的焊线跨距完成模型提取，四个电阻-电感平均值被用于比较两种焊线类型之间的性能。
    直径为1mil的焊线性能
     铜比金的导电性能更好，所以在频率范围内显示出较低的电阻。但是，两种类型焊线之间的回路电感性能未发生变化，因为其与材料的特性没有明显的依赖（仅在相对磁导率为1的情况下才正确，铜和金均适用）。由于阻抗明显依赖于回路电感，在两种类型的焊线之间的频率范围内，阻抗和频率性能几乎没有差异，阻抗中的电抗部分快速超过了电阻的任何差异。因为两种类型的焊线之间的电感几乎相同，电抗部分相同，因此，两种类型的焊线的阻抗和频率性能相互重叠。当接近直流时，阻抗的确产生变化，并且铜的阻抗较低些，因为铜的直流电阻较低。
    焊线直径的影响
    在直径为0.7-1.3 mil范围内的焊线中，对两种焊线材料之间的电阻和电感性能进行比较。正如所预期的，直径较大的两种焊线均显示出较低的电阻。当电流为1GHz时，直径为0.7, 0.8, 0.9, 1 和 1.3 mil的金线的电阻分别是0.42, 0.35, 0.32, 0.28 和 0.23 Ω/mm。对于每种焊线直径，铜的电阻比金的低约20％。
    关于不同直径焊线的回路电感性能，直径较大的焊线在频率范围内显示出较小的回路电感。这是因为，在相同的跨距下，直径较大焊线的两个引线比直径较小焊线的两个引线之间更近。这使直径较大焊线的相互电感耦合增加，并导致较低的有效回路电感。当电流为1GHz时，直径为0.7, 0.8, 0.9, 1 和 1.3 mil的金线的电阻分别是1.16, 1.12, 1, 0.96 和 0.89 nH/mm。
    两种类型焊线的回路电感性能相同，正如之前所述，这是因为回路电感与材料的特性没有关系。频率的影响也不明显，回路电感在频率范围内几乎未发生变化。
     两种类型焊线的总阻抗性能相同，因为两者之间的回路电感相同。直径为1.3mil的焊线比直径为0.7mil焊线的阻抗低约25％。
    多条焊线平行
    有时，特别对电源和地线而言，一般假定焊线数量的翻番会降低电阻和电感，因此，阻抗值应减半。这种说法并不一定正确；这取决于电源和地线在焊盘环上的相对排列方式。
    图7显示两条电源线和两条地线情况下的电流分配。正如从磁场分布所看到的，大部分电流集中在电源和地线的两个最近的面，在另外两条线上有少量电流。这是因为最小的回路电感是通过电流回路的两个引线彼此离的尽可能近才得以实现的。
 
    图7. 当两条地线跟着两条电源线时，大部分电流集中在电源和地线的两个最近的面，在另外两条线上有少量电流。
    图8显示了电源和地线相互交替时的电流分配。在此种情况下，用于电流的表面区域要多于前一例，从而实现整体阻抗性能的提升。
 
    图8. 用于电流的表面区域要多于前一例，从而实现整体阻抗性能的提升。
    我们来比较一个单独电源接地环路和其它两种设置之间的电阻、电感和阻抗性能，设置1两条电源线和两条地线，设置2两条电源线和两条地线相互交替。与单独电源接地环路相比，在电流为1 GHz时，电阻减少约43％，在设置2的情况下（电源线和接地线交替），电阻减少约50％。与单独电源接地环路相比，在电流为1 GHz时，回路电感降低22％，在设置2的情况下，接近57％。在较高的频率下，阻抗由回路电感控制，因此，同样可以看到设置1的情况下减少22％，在设置2的情况下，减少57％。
如前所示，铜与金线之间的与频率相关的性能类似，当多焊线平行使用时，阻抗的提升与两种焊线类型一致。
   电流处理能力
   图9显示一条焊线在保险丝熔断之前所能处理的最大总电流。正如所料，相同的焊线直径，铜比金能够处理的电流稍多一些。同时，随着焊线直径的增加，焊线的电流处理能力也同比增加。
 
     图9. 一条焊线在保险丝熔断之前所能处理的最大总电流。正如所料，相同的焊线直径，铜比金能够处理的电流稍多一些。
    对封装导热性能的影响
    虽然铜的导热性比金好25％，整个封装导热性能的差异非常小。在引线封装的情况下，一般的导热电阻增加范围在2％以内，在面阵封装的情况下，性能没有明显差异。
   总结
   本文对金焊线和铜焊线的阻抗性能进行了比较，材料对整体导电和导热性能的影响可以忽略不计。焊线直径有明显影响，较大直径的焊线在跨距相同的情况下的整体阻抗较低。较大直径焊线的阻抗更低，并不是因为焊线直径本身，而是因为焊线直径增加时，回路和信号导体之跨距离增加。如果减小焊线跨距，同时缩小焊线直径，其阻抗性能将与较大直径焊线在较大跨距的情况下相当。