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 *** 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d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d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：d坑随老化进行逐渐增多，尤其老化81天后，应力型d坑大量增加，导致剪切断裂载荷下降，图7所示为d坑数量随老化时间变化，需要说明的是d坑包括应力型d坑和剪切性d坑，应力型d坑为剪切实验之前就已经存在的缺陷，而剪切型d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d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d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~~~~~~```

1.没有任何显示画面

A：1.1检查信号线：接头是否断裂弯曲（接口卡端及显示器端均需检查），如有弯曲可使用工具矫正再进行连接。

1.2检查电源：是否接通？显示器端、插座端及电源线是否松脱，断裂。

1.3检查显卡：如果是显卡损坏（电脑报警一长两短）或显示器断线等原因造成没有信号传送到显示器，则显示器的指示灯会不停地闪烁（橙色灯）提示没有接收到信号。要是将分辨率设得太高，超过显示器的最大分辨率也会出现黑屏，影响显示器寿命，但现在的显示器都 有保护功能，当分辨率超出设定值时会自动保护

1.4显示器的亮度及对比度调整旋钮是否在适中位置（如果太暗会看不见画面）。

1.5内部高／低压电源故障。

2.电脑开机后，显示器只闻其声不见其画，漆黑一片。要等上几十分钟以后才能出现画面。

A：这并不是显示器内部受潮，而是显象管座漏电所致，须更换管座，拆开后盖可以看到显象管尾的一块小电路板，管座就焊在电路板上。小心拔下这块电路板，再焊下管座，到电子商店买 回一个同样的管座，然后将管座焊回到电路板上。这时不要急于将电路板装回去，要先找一小块砂纸，很小心地将显象管尾后凸出的管脚 用砂纸擦拭干净。特别是要注意管脚上的氧化层，如果擦得不干净很快就会旧病复发。将电路板装回去就大功告成。

3.有时候有图像，有时候没有图像。有图像时显示的内容是好的，有时有劈劈啪啪的声音。

A：可能是回扫变压器出现了故障，高压电弧击穿回扫变压器的线圈绝缘层就会产生劈劈啪啪的声音，请找专业人士修理。

4.有时开机后屏幕总是忽明忽暗，显示极不稳定；有时却能够正常显示。

显示器和显卡连接也没有出现松动情况。这种情况是在前几天擦拭过显示器及主机表面后才出现的，在擦拭过程中也没有让水或其他杂质进入。

A：该现象估计有虚焊处，注意显示器内有高压！不要自行打开维修，请专业人员来维修！

5.画面有亮光，但无图像。

5.1内部图像信号放大器故障。

5.2内部CRT电子q故障。

6．画面皱溜

6.1水平输出故障。

6.2垂直输出故障。

6.3内部高低压电路故障。

7．画面出现回归线

A:内部消隐电路故障。

8．画面抖动 显示正常，但字符会不时抖动，对眼睛有伤害。

8.1检查AC220V电源稳定否？

8.2使用过久，显示器过热。

8.3日光灯闪烁影响所致。

8.4电脑刚开机时显示器的画面抖动得很厉害，有时甚至连图标和文字也看不清，但过一二分钟之后就会恢复正常

原因：这种现象多发生在潮湿的天气，是显示器内部受潮的缘故。

说明：要彻底解决此问题，可使用食品包装中的防潮砂用棉线串起来，然后打开显示器的后盖，将防潮砂挂于显象管管颈尾部*近管座 附近。这样，即使是在潮湿的天气里，也不会再出现以上的“毛病”。

9.画面模糊

9.1现象：我的显示器使用四、五年了，最近开始变得模糊，是显示器寿命已到，还是可以通过旋钮调整？

方法：调节聚焦和对比度。

步骤：一般多在前面板调节，老显示器多在显示器后面调节。如果表面没有调节旋钮，需要打开显示器调节，请专业人员处理，以防显示 器内高压伤人！

说明：调节聚焦和对比度都可能使显示器显示图像模糊。对比度的调节就在显示器前面板，但聚焦电路通常在显示器内部，因此，调节对 比度不成功就应该送修。好的情况是内部灰尘太多，不好的情况则是内部多个元器件老化，显示器寿命已尽。

9.2刚开机时显示器字符模糊，然后渐渐清楚

说明：这种情况是显示器老化的前兆，这是由于显像管内的阴极管由灯丝加热后才可以打出电子束 ，可是当阴极管开始老化的时候，加热 的过程变慢了，所以在刚开始的时候，没有达到标准温度的阴极管，无法射出足够的电子束，所以我们看见的画面会不清晰。

10.画面闪烁

10.1现象：我的显示器的屏幕边缘有闪烁现象，是否显示器本身的问题？

方法：进入Win 9的安全模式检测效果。

步骤：开机刚准备进入时，按F8键，选择"Save Mode"进入安全模式。若不出现闪烁，就可能是显示器类型不匹配。 以鼠标右键单击桌面上无图标部分，选择"属性"、"设置"、"高级"、"监视器"、"更改"并按照提示 *** 作可以更改显示器类型。请准备好Win 9x的系统光盘。

说明：不一定是显示器本身的问题。如果有条件可以把显示器拿到其他电脑上试验，如果还是闪烁，可能是显示器本身的故障。在Win 9x里，如果显示器的类型识别不正确就可能出现边缘闪烁故障。个别的时候可能出现显示卡驱动程序故障，请更换新的显示驱动也应该检测插座电压是否正常。

10.2现象：我的整个屏幕闪烁，过去它是好的，是显示器坏了吗？

方法：检查电源和插座。

步骤：使电脑独立使用接线板。

说明：请先使显示器独占一个电源插座，必要时可以换较高级的电源插座。另外，一些家用的装饰灯，风扇都可能使显示器整个画面闪烁。如果不是这些硬件原因，设置更高的刷新频率也可以有效地降低闪烁程度。

11．鱼尾纹现象

现象：我的显示器在640×480的分辨率下有水波纹，就像水里被投了一个石头后产生的涟漪。但在800×600等更高的分辨率下是没有这种情况的，是显示器不正常吗？

说明：鱼尾纹产生原因与显像管之特性关系密切，大多数用于显示器的显像管为单q三束管或三q三束管，显像管的荫罩网为圆孔式，相对应的荧光粉亦为圆点状，荫罩网上的圆孔呈规则性排列。而当显示器工作在不同的分辨率模式时，电子束扫描线的间距会不同，这样极有可能在某一分辨率模式时，电子束扫描线与荫罩网的圆孔排列不重合，这样就出现电子束扫描线的周期性与荫罩网圆孔排列的周期性之间的差拍，即当扫描线与荫罩网圆孔排列重合时，电子束着屏量多，屏幕亮度高，而当扫描线与荫罩网圆孔排列不重 合时，电子束着屏量少，屏幕亮度低，这种不连续性的变化改变了荫罩网对电子束透过率的分布，使屏幕电子束强度（即屏幕的亮 度）产生周期性的变化，在屏幕显示的图像上又叠加了一个周期性的亮度变化条纹，即我们所看到的“鱼尾纹”。

从理论上分析，降低显像管第一栅极的电压差会在一定程度上改善鱼尾纹，不过因此画面良好的聚焦将做出一点牺牲。据分析，目前鱼尾 纹现象基本上分布在画面分辨率为：640x480，场频60Hz这个模式下，若使用分辨率为：800x600或更高分辨率的模式，则鱼尾纹现象不明 显。值得指出的是，鱼尾纹现象是所有荫罩式显示器的“通病”，或多或少都会存在，有鱼尾纹现象应属于正常范围内。

注意：如果在高分辨率下出现上述现象，请坚决更换。

12．水平扫描频率不同步

12.1内部水平扫描电路故障。

12.2PC端（接口卡）频率与显示器水平扫描频率不同步。如有的模拟显示器最高行频低于50KHz，而显示卡设置行频超过50KHz，则使图像 不同步，遇此情况可将显示卡显示模式的刷新频率（帧频）适当降低以避免不同步。

12.3信号线的信号接脚。

12.4内部高压电路故障。

13.垂直扫描频率不同步

13.1内部垂直扫描电路故障。

13.2PC端（接口卡）频率与显示器垂直扫描频率不同步，解决方法同6.(2)。

13.3信号线的信号接脚。

14.当显示器上出现一条亮的横线，其它的地方无字符:

一般这种情况是显示器的帧扫描电路出了问题，这时应检查芯片及周围的电路。

15.显示器上出现一条竖的亮线，其它的地方无字符:

一般故障在行扫描电路，即偏转板有高压而无行扫描。这时要检查行输出管、高压整流管、阻尼二极管及周围电路，或行输出管口前级振 荡、偏转线圈。

16.屏幕上字符左右扭动:

故障是由于电源不稳或行输出管特性不好，主要应检查电源部分成行输出管。

17.屏幕上显示的字符，左边大，右边小:

故障显示可以断定行输出电路S校正电路出了问题，这时要检查相应的S校正电感，电容。

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