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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用于芯片上的終端與半導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電性，同時可以很容易地通過熱壓縮法和超聲波焊接技術鍵合到指定位置。
    最近，銅作為金線鍵合的替代材料已經快速取得穩固地位，它的部分優勢包括較高的導電性和導熱性， 較少形成金屬互化物，同時具備更好的機械穩定性。
    本文試圖對銅與金引線導電性和導熱性能方面的差異進行量化，從而實現直接比較。根據材料對焊接引線寄生效應的影響，以及對封裝級信號完整性的影響，對導電性能進行評估。導熱性能則通過對兩種引線對散熱性能的提高方面進行比較。同時還對直徑在 0.7-1.3 mil 之間的銅線和金線的性能進行了評估。
    通過焊線的電流
    人們通常認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。當直流電信號進行任何轉換時，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），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線構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，與電源相聯的導體（焊線）對信號導體沒有影響。信號回路電流循環以紫色顯示。
    圖1顯示導體（焊線）與電源相連，并假定回路對信號導體沒有影響 （回路導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，電流將通過導體整個表面迫使自己流入最小阻力路徑。當頻率增加時，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。
    電感依賴于導體周圍的磁力線數量，若使其最小化，磁力線的數量必須減少。通過重新分配更多電流至導體外層，磁力線的數量隨著導體的減少（圖2），會降低電感。當頻率達到或高于幾百兆赫時，多數電流將集中在導體的外層。
 
    圖2. 電感依賴于導體周圍的磁力線的數量，若使其最小化，磁力線的數量必須減少。
    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，電流占據了幾乎整個橫截面，與之相對應的是，當 1 GHz 時，電流主要占據在外層。
 
圖3. 當頻率分別為10 MHz, 100 MHz和1 GHz時，引線的電流分配橫截面。
 
    當頻率范圍達到約10兆赫時，阻抗的電阻部分占主導地位，電流會在導體的橫截面從內向外分布。當達到100兆赫或更高時，電抗占據主導地位，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，當由直流到100兆赫時，減少幅度在5％以內。
   鄰近效應
   在前例中，假定前提是信號離回路很遠，并且沒有回路導體磁場的影響。但是，在大多數應用情況下，當信號導體與回路鄰近時，回路導體磁力線很可能會與信號導體重疊。
    當通過信號和回路導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體，并形成最緊密的回路，使所遇到的磁力線的數目達到最小，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體，并形成最緊密的回路，使所遇到的磁力線的數目達到最少，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。芯片壓焊點一側的焊線余隙為2mils，在封裝引線一側的焊線余隙為8 mils以內。因此，在線的長度范圍內，磁場分布會發生變化，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
     銅比金的導電性能更好，所以在頻率范圍內顯示出較低的電阻。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，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。當接近直流時，阻抗的確產生變化，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范圍內的焊線中，對兩種焊線材料之間的電阻和電感性能進行比較。正如所預期的，直徑較大的兩種焊線均顯示出較低的電阻。當電流為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，并導致較低的有效回路電感。當電流為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系。頻率的影響也不明顯，回路電感在頻率范圍內幾乎未發生變化。
     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，一般假定焊線數量的翻番會降低電阻和電感，因此，阻抗值應減半。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的。
 
    圖7. 當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，用于電流的表面區域要多于前一例，從而實現整體阻抗性能的提升。
 
    圖8. 用于電流的表面區域要多于前一例，從而實現整體阻抗性能的提升。
    我們來比較一個單獨電源接地環路和其它兩種設置之間的電阻、電感和阻抗性能，設置1兩條電源線和兩條地線，設置2兩條電源線和兩條地線相互交替。與單獨電源接地環路相比，在電流為1 GHz時，電阻減少約43％，在設置2的情況下（電源線和接地線交替），電阻減少約50％。與單獨電源接地環路相比，在電流為1 GHz時，回路電感降低22％，在設置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，同樣可以看到設置1的情況下減少22％，在設置2的情況下，減少57％。
如前所示，銅與金線之間的與頻率相關的性能類似，當多焊線平行使用時，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。
    對封裝導熱性能的影響
    雖然銅的導熱性比金好25％，整個封裝導熱性能的差異非常小。在引線封裝的情況下，一般的導熱電阻增加范圍在2％以內，在面陣封裝的情況下，性能沒有明顯差異。
   總結
   本文對金焊線和銅焊線的阻抗性能進行了比較，材料對整體導電和導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。