IGBT芯片互连常用键合线材料特性

IGBT芯片与芯片的电极端子间，IGBT芯片电极端子与二极管芯片间，芯片电极端子与绝缘衬板间一般通过引线键合威廉希尔官方网站 进行电气连接。通过键合线使芯片间构成互连，形成回路。引线键合是IGBT功率器件内部实现电气互连的主要方式之一。随着制造工艺的快速发展，许多金属键合线被广泛的应用到IGBT功率模块互连威廉希尔官方网站 中。目前，常用的键合线有铝线、金线、银线、铜线、铝带、铜片和铝包铜线等。表1是引线键合威廉希尔官方网站 中常用材料的性能。

表1 引线键合工艺中常用键合线的材料属性

1. 铝线键合

铝线键合是目前工业上应用最广泛的一种芯片互连威廉希尔官方网站 ，铝线键合威廉希尔官方网站 工艺十分成熟，且价格低廉。铝线根据直径的不同分为细锡线和粗铝线两种，直径小于100um的铝线被称为细铝线，直径大于100um小于500um的铝线被称为粗铝线。

粗铝线的载流能力比细铝线强，直径为500um的粗铝线可承受直流约为23A的电流。铝的热膨胀系数为23×10-6K-1，与硅芯片的热膨胀系数相差较大，在长时间的功率循环过程中会在封装体内积累热量，使模块温度升高，产生并积累热应力。很容易使键合引线断裂或键合接触表面脱落，最终导致模块的整体失效。在通流能力要求较高的情况下，引线的数目过于庞大，会造成键合接触表面产生裂纹。 为了提高键合引线的载流能力，铝带键合威廉希尔官方网站 逐步发展起来，图2所示为铝带链合实物图。

相比于铝线键合，铝带的横截面积大，可靠性高，不但提高了整体的通流能力，避免由于髙频工作时造成的集肤效应，而且还有效地减小了封装体的厚度。表面积较大，散热效果也比铝线要好。铝带键合由于导电性能好，寄生电感小，在频率高，电流大的工作情况下应用较为广泛，其缺点是不能大角度弯曲。

2. 铜线键合

由表1可知，铜线比铝线的电阻率低，导电性能好，热导率比铝线高，散热性能好。现在功率模块大多追求小体积、高功率密度和快散热，铜线键合威廉希尔官方网站 得到了广泛的应用。

铜线的通流能力强，直径400um的铜线可以承受直流约32.5A的电流，比铝线的载流能力提高了71%。铜线键合威廉希尔官方网站 的缺点也十分明显。由于芯片表面多为铝合金，铜线在键合前需要在芯片表面进行电银或者沉积，不但增加了成本，而且增加了在生产过程中复杂程度。铜材料的热膨胀系数较大，与芯片不匹配，在功率循环工作条件下，产生的热应力累积，容易使键合引线脱落或芯片表面产生裂痕。

3. 铝包铜线键合

综合考虑铝线与铜线的优缺点，研发人员研制了一种新型键合线，在铜线外层包裹一层厚度约为25~35um的铝。铝包铜线如图4所示，由于其表面为铝材料，在键合时不需要事先对芯片表面进行化学电镀处理，提高了系统的可靠性。铝包铜线的导电性能和导热性能均比铝线要好，增加了键合引线的可靠性，提高了IGBT功率模块的使用寿命。

4. 金线键合

线键合威廉希尔官方网站 主要应用在集成度较高的IC芯片封装中，金线的热导率较高，散热效果好，电阻率比铝线低，导电性强。金线的膨胀系数为14.2×10-6K-1，为所有常用键合金属材料中最低的，与硅芯片的匹配性较其他键合材料要好。但由于其价格过于昂贵，限制了其在半导体封装中的广泛应用。

5.银线键合

银键合线比金电阻率低，热导率高，故无论从导电性还是散热性都比较好，且其价格也相对较为便宜。银线的热膨胀系数较高，键合可靠性问题是需要着重考虑的。

综上所述，不同材料的键合引线，其主要应用领域不同，均有一定程度的优缺点。线键合会有较大的寄生电感，多跟线键合时会有邻近效应和电流分配不均等问题。带键合虽然可有效地避免上述问题，但工艺难度增加，相应的增加制造成本。另外由于键合材料热膨胀系数不匹配引起的热应力积累，最终会影响功率器件的可靠性问题。因此在选择键合引线时需要综合考虑工艺、功率器件可靠性和成本等方面。

审核编辑：刘清