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金線鍵合與銅線鍵合的性能比較

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• 日期: 2017-04-28
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  引線鍵合工藝廣泛應(yīng)用于芯片上的終端與半導(dǎo)體器件外部引線的連接。引線鍵合所使用的連接線一般由金制成，因為金具有抗氧化侵蝕能力和高導(dǎo)電性，同時可以很容易地通過熱壓縮法和超聲波焊接技術(shù)鍵合到指定位置。
    最近，銅作為金線鍵合的替代材料已經(jīng)快速取得穩(wěn)固地位，它的部分優(yōu)勢包括較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性， 較少形成金屬互化物，同時具備更好的機(jī)械穩(wěn)定性。
    本文試圖對銅與金引線導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能方面的差異進(jìn)行量化，從而實現(xiàn)直接比較。根據(jù)材料對焊接引線寄生效應(yīng)的影響，以及對封裝級信號完整性的影響，對導(dǎo)電性能進(jìn)行評估。導(dǎo)熱性能則通過對兩種引線對散熱性能的提高方面進(jìn)行比較。同時還對直徑在 0.7-1.3 mil 之間的銅線和金線的性能進(jìn)行了評估。
    通過焊線的電流
    人們通常認(rèn)為電流總是通過最小阻力的路徑，但這句話只對于直流電是正確的。當(dāng)直流電信號進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換時，電流會選擇阻抗最小的路徑。在頻率足夠高時（在兆赫范圍內(nèi)），最小阻抗路徑即為最小電感路徑。
    電流總以回路形式流動，不論該回路由信號和回路導(dǎo)線構(gòu)成還是由電源和地線組成。因此，最小阻抗路徑通常為最小回路電感，同時考慮回路的兩引線之間相互連接的額外因素。
    阻抗是由電阻和電抗部分確定的，如等式1中所示。
 
    電抗可以是電容性的、電感性的或兩者都有。焊線主要是電感，電容效應(yīng)可以忽略不計，因此，在所有計算中均忽略電容。
    感抗是由下列關(guān)系（等式2）確定的，并與正弦切換頻率和回線電感成正比。
 
 
    圖1. 在本圖中，與電源相聯(lián)的導(dǎo)體（焊線）對信號導(dǎo)體沒有影響。信號回路電流循環(huán)以紫色顯示。
    圖1顯示導(dǎo)體（焊線）與電源相連，并假定回路對信號導(dǎo)體沒有影響 （回路導(dǎo)體的磁力線與信號不重疊）。
    在切換頻率接近直流時，電抗部分不存在或可忽略不計，因此，電流將通過導(dǎo)體整個表面迫使自己流入最小阻力路徑。當(dāng)頻率增加時，電抗部分開始成為總阻抗的主要部分，同時，電流開始重新分配，電感被最小化。
    電感依賴于導(dǎo)體周圍的磁力線數(shù)量，若使其最小化，磁力線的數(shù)量必須減少。通過重新分配更多電流至導(dǎo)體外層，磁力線的數(shù)量隨著導(dǎo)體的減少（圖2），會降低電感。當(dāng)頻率達(dá)到或高于幾百兆赫時，多數(shù)電流將集中在導(dǎo)體的外層。
 
    圖2. 電感依賴于導(dǎo)體周圍的磁力線的數(shù)量，若使其最小化，磁力線的數(shù)量必須減少。
    圖3示出了頻率分別為10 MHz, 100 MHz 和1 GHz時，焊線的電流分布橫截面。表中列出了從直流到1 GHz.過程中的阻抗的     電阻部分和電抗部分。從圖中可以明顯看出，頻率為10 MHz 時，電流占據(jù)了幾乎整個橫截面，與之相對應(yīng)的是，當(dāng) 1 GHz 時，電流主要占據(jù)在外層。
 
圖3. 當(dāng)頻率分別為10 MHz, 100 MHz和1 GHz時，引線的電流分配橫截面。
 
    當(dāng)頻率范圍達(dá)到約10兆赫時，阻抗的電阻部分占主導(dǎo)地位，電流會在導(dǎo)體的橫截面從內(nèi)向外分布。當(dāng)達(dá)到100兆赫或更高時，電抗占據(jù)主導(dǎo)地位，并且電流主要集中在外層，并試圖使電感最小化。電感本身并不隨頻率的變化而明顯地改變，幾乎一直保持在100兆赫以上，當(dāng)由直流到100兆赫時，減少幅度在5％以內(nèi)。
   鄰近效應(yīng)
   在前例中，假定前提是信號離回路很遠(yuǎn)，并且沒有回路導(dǎo)體磁場的影響。但是，在大多數(shù)應(yīng)用情況下，當(dāng)信號導(dǎo)體與回路鄰近時，回路導(dǎo)體磁力線很可能會與信號導(dǎo)體重疊。
    當(dāng)通過信號和回路導(dǎo)體的電流向反方向流動時，重疊的磁力線會相互抵消，兩者之間的相互電感會減少總的回路電感。隨著頻率的增加，電流重新分配至兩個導(dǎo)體，并形成最緊密的回路，使所遇到的磁力線的數(shù)目達(dá)到最小，因此，將兩者的邊盡可能地靠近（圖4）。因鄰近的回路降低了回路電感，使得總阻抗同時減少。

    圖4. 信號和回路頻率分別為10 MHz和1 GHz時的電流分布。隨著頻率增加，電流重新分配至兩個導(dǎo)體，并形成最緊密的回路，使所遇到的磁力線的數(shù)目達(dá)到最少，因此，將兩者的邊盡可能地靠近。
   典型焊線形狀
   在典型焊線應(yīng)用中，兩條線之間的距離一般是芯片壓焊點至封裝引線之間的線長。芯片壓焊點一側(cè)的焊線余隙為2mils，在封裝引線一側(cè)的焊線余隙為8 mils以內(nèi)。因此，在線的長度范圍內(nèi)，磁場分布會發(fā)生變化，同時也會改變從芯片至封裝的焊線回路的阻抗。直徑為1 mil的金焊線的電流分配如圖5和6所示。
 
     圖5. 當(dāng)跨距分別為2 mil 和 8 mil時，1 GHz電流分配之間的對比。
 
    圖6. 當(dāng)跨距分別為2 mil 和 8 mil時，1 GHz電流分配之間的對比。
 
    跨距為 2 mil時的交流電阻稍高于跨距為8 mil時的電阻，因為跨距為 2 mil時的電流分配比跨距為 8 mil時的更集中。直流電阻在兩中情況下完全相同?；芈冯姼性诳缇酁?2 mil和8 mil的焊線之間存在極大的差異。對于跨距為8 mil的焊線，回路電感約為1.35 nH/mm，對于跨距為2 mil的焊線，其回路電感僅為0.8 nH/mm?；芈冯姼挟a(chǎn)生如此巨大差異是因為對2 mil跨距焊線而言，信號與回路之間的跨距越小，磁場相消越明顯，并且伴隨著相互電感的增加，隨之也減少了有效的回路電感。對于較大的跨距而言，信號和回路之音較寬，外加幾乎沒有磁場重疊，從而產(chǎn)生較高的回路電感。
    為了說明電阻-電感和阻抗存在的差異，通過跨距在2mil之間的四個不同的焊線跨距完成模型提取，四個電阻-電感平均值被用于比較兩種焊線類型之間的性能。
    直徑為1mil的焊線性能
     銅比金的導(dǎo)電性能更好，所以在頻率范圍內(nèi)顯示出較低的電阻。但是，兩種類型焊線之間的回路電感性能未發(fā)生變化，因為其與材料的特性沒有明顯的依賴（僅在相對磁導(dǎo)率為1的情況下才正確，銅和金均適用）。由于阻抗明顯依賴于回路電感，在兩種類型的焊線之間的頻率范圍內(nèi)，阻抗和頻率性能幾乎沒有差異，阻抗中的電抗部分快速超過了電阻的任何差異。因為兩種類型的焊線之間的電感幾乎相同，電抗部分相同，因此，兩種類型的焊線的阻抗和頻率性能相互重疊。當(dāng)接近直流時，阻抗的確產(chǎn)生變化，并且銅的阻抗較低些，因為銅的直流電阻較低。
    焊線直徑的影響
    在直徑為0.7-1.3 mil范圍內(nèi)的焊線中，對兩種焊線材料之間的電阻和電感性能進(jìn)行比較。正如所預(yù)期的，直徑較大的兩種焊線均顯示出較低的電阻。當(dāng)電流為1GHz時，直徑為0.7, 0.8, 0.9, 1 和 1.3 mil的金線的電阻分別是0.42, 0.35, 0.32, 0.28 和 0.23 Ω/mm。對于每種焊線直徑，銅的電阻比金的低約20％。
    關(guān)于不同直徑焊線的回路電感性能，直徑較大的焊線在頻率范圍內(nèi)顯示出較小的回路電感。這是因為，在相同的跨距下，直徑較大焊線的兩個引線比直徑較小焊線的兩個引線之間更近。這使直徑較大焊線的相互電感耦合增加，并導(dǎo)致較低的有效回路電感。當(dāng)電流為1GHz時，直徑為0.7, 0.8, 0.9, 1 和 1.3 mil的金線的電阻分別是1.16, 1.12, 1, 0.96 和 0.89 nH/mm。
    兩種類型焊線的回路電感性能相同，正如之前所述，這是因為回路電感與材料的特性沒有關(guān)系。頻率的影響也不明顯，回路電感在頻率范圍內(nèi)幾乎未發(fā)生變化。
     兩種類型焊線的總阻抗性能相同，因為兩者之間的回路電感相同。直徑為1.3mil的焊線比直徑為0.7mil焊線的阻抗低約25％。
    多條焊線平行
    有時，特別對電源和地線而言，一般假定焊線數(shù)量的翻番會降低電阻和電感，因此，阻抗值應(yīng)減半。這種說法并不一定正確；這取決于電源和地線在焊盤環(huán)上的相對排列方式。
    圖7顯示兩條電源線和兩條地線情況下的電流分配。正如從磁場分布所看到的，大部分電流集中在電源和地線的兩個最近的面，在另外兩條線上有少量電流。這是因為最小的回路電感是通過電流回路的兩個引線彼此離的盡可能近才得以實現(xiàn)的。
 
    圖7. 當(dāng)兩條地線跟著兩條電源線時，大部分電流集中在電源和地線的兩個最近的面，在另外兩條線上有少量電流。
    圖8顯示了電源和地線相互交替時的電流分配。在此種情況下，用于電流的表面區(qū)域要多于前一例，從而實現(xiàn)整體阻抗性能的提升。
 
    圖8. 用于電流的表面區(qū)域要多于前一例，從而實現(xiàn)整體阻抗性能的提升。
    我們來比較一個單獨電源接地環(huán)路和其它兩種設(shè)置之間的電阻、電感和阻抗性能，設(shè)置1兩條電源線和兩條地線，設(shè)置2兩條電源線和兩條地線相互交替。與單獨電源接地環(huán)路相比，在電流為1 GHz時，電阻減少約43％，在設(shè)置2的情況下（電源線和接地線交替），電阻減少約50％。與單獨電源接地環(huán)路相比，在電流為1 GHz時，回路電感降低22％，在設(shè)置2的情況下，接近57％。在較高的頻率下，阻抗由回路電感控制，因此，同樣可以看到設(shè)置1的情況下減少22％，在設(shè)置2的情況下，減少57％。
如前所示，銅與金線之間的與頻率相關(guān)的性能類似，當(dāng)多焊線平行使用時，阻抗的提升與兩種焊線類型一致。
   電流處理能力
   圖9顯示一條焊線在保險絲熔斷之前所能處理的最大總電流。正如所料，相同的焊線直徑，銅比金能夠處理的電流稍多一些。同時，隨著焊線直徑的增加，焊線的電流處理能力也同比增加。
 
     圖9. 一條焊線在保險絲熔斷之前所能處理的最大總電流。正如所料，相同的焊線直徑，銅比金能夠處理的電流稍多一些。
    對封裝導(dǎo)熱性能的影響
    雖然銅的導(dǎo)熱性比金好25％，整個封裝導(dǎo)熱性能的差異非常小。在引線封裝的情況下，一般的導(dǎo)熱電阻增加范圍在2％以內(nèi)，在面陣封裝的情況下，性能沒有明顯差異。
   總結(jié)
   本文對金焊線和銅焊線的阻抗性能進(jìn)行了比較，材料對整體導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的影響可以忽略不計。焊線直徑有明顯影響，較大直徑的焊線在跨距相同的情況下的整體阻抗較低。較大直徑焊線的阻抗更低，并不是因為焊線直徑本身，而是因為焊線直徑增加時，回路和信號導(dǎo)體之跨距離增加。如果減小焊線跨距，同時縮小焊線直徑，其阻抗性能將與較大直徑焊線在較大跨距的情況下相當(dāng)。