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產業技術評析

封裝用導線市場現況及發展趨勢
發表日期:2017-11-08
作者:陳靖惠(金屬中心)
摘要:
半導體封裝內部接合方式,可分為打線接合、捲帶式自動接合與覆晶接合,其中,打線接合由於製程成熟、成本低、佈線彈性高,是目前應用最廣的接合技術,約占所有封裝產品9成。

全文:

一、全球封裝用導線市場現況
 

半導體封裝內部接合方式,可分為打線接合(wire bonding)、捲帶式自動接合與覆晶接合,其中,打線接合由於製程成熟、成本低、佈線彈性高,是目前應用最廣的接合技術,約占所有封裝產品9成。而打線所使用之金屬材料過去幾年一直以金線為主流,由於「金」具備穩定性高、質軟、延展性佳等物理特性,被用於IC封裝打線接合時,其良率、生產效率及線徑微細化等表現,皆相當不錯。根據市場統計,2010年全球封裝用導線需求規模為70噸,2012年則成長至81噸,其中金線使用率約占70%,而後由於金價一路上漲,在2012年底甚至來到最高每盎司1,790美元(如圖1),使半導體封裝業者與IC設計業者因成本考量,而積極投入「銅」打線技術研發。
 

圖1 全球黃金價格走勢

資料來源:JM、LME、LBMA/金屬中心MII繪製(2017)
圖1 全球黃金價格走勢
 

銅打線技術源於1980年代,除成本考量外,銅的導電性、導熱性及強韌度皆較金為佳,因此自2001年起,被大量應用於大功率元件及離散元件等線徑粗、電負載量大的半導體產品,然而受制於銅的硬度高於金,銅打線應用在IC封裝時,由於電路複雜、結構脆弱、接腳細且密,導致打線技術難度大增、研發與認證投資不易回收,使其研發與技術的進程較為緩慢。而後在歷經10幾年來的發展,銅打線的種種技術難題已陸續克服,在金價高漲的推波助瀾下,加速半導體封測及IC設計業者投入銅打線的研發、認證與導入,市場上也預估未來2~3年銅打線封裝產值每年都將呈倍數成長。
 

鋁導線則是近五年重新被各國所重視與開發的重點,早期常用鋁線來作為接合材料,鋁線雖便宜但易氧化、導電性並不佳,加上其不易燒結成球而導致無法大量被應用,然而若以材料本身的價格來看,目前黃金一公斤價格約130萬元,銀一公斤約4萬、銅一公斤約220元,鋁一公斤約60元,若能改用鋁線去做打線接合,將對產業界帶來驚喜的成本效益。因此未來在應用技術與製程技術上的突破,將左右著鋁導線是否能蓬勃發展。
 

二、封裝用導線種類與特性
 

封裝用金屬打線的應用示意圖(如圖2)所示,目前封裝打線接合所使用之金屬材料主要有金線、銀線、銅線、鋁線等,其中鋁線、銅線主要用於中低階電路,貴金屬線在中高階產品之佔有率則超過80%。
 

圖2 封裝用打線(導線)應用示意圖

資料來源:Ansforce/金屬中心MII整理(2017)
圖2 封裝用打線(導線)應用示意圖
 

理想的打線接合材料應具備以下特點:與引線端子及外引線材料實現良好的接合,接合過程具有較小的接合溫度、接合力和接合時間,化學性能穩定,不形成有害的金屬間化合物,可塑性好,易成細線及捲繞,尺寸精度高等。目前打線接合之導線金、銀、銅、鋁等四種金屬皆能具備上述性能,因此除了可用做IC封裝打線材料之外,也被應用於太陽能電池內接線。以下我們將進一步將材料種類性能做一詳細之比較與說明:
 

(一)金:對於可靠度要求越來越高的封裝產業來說,使用不易氧化的貴金屬是實現高穩定性與高可靠度的最好選擇。金線除了具有良好的導電性及不易氧化的特性之外,其良好的延展性,在微米級線材製作上具備不易斷裂的優勢,而成為主流。一般來說,目前使用之金線以高純度為主,雖然會添加極為微量的元素以增加線材強度,但都可維持在4N以上的純度。不過金線的最大缺點就是價格高昂,因此如前面所談,在金價飆漲的同時,其他材料的應用也一直陸續被突破開發出來。
 

(二)銀:具有與金線接近的機械性質,並有較銅線優良的抗氧化特性,在LED的封裝中,其優良的反光特性可增加約10%的光量,因而逐漸被應用在部分的封裝中。銀線在放電結球時,可形成非常圓的球,銀線與鋁基板的接合效果也非常好,金屬間化合物的生成也相對較少,可以增加其接合的可靠度。目前銀線的使用主要以銀合金線為主,銀含量越高代表其電阻率越低,雖然有可能會影響其接合品質,但其優異的反光特性,被大量應用在LED封裝製程上時,其電阻率就不是最重要的考量因素。一般來說銀合金線的主成分通常為可互溶的銀金鈀三元素,依比例不同而有不同的電阻率及功效。鍍層銀線也是一種被考慮的線材,通常選用的鍍層為金,由於芯部為純金屬銀,因此仍保有純銀的超低電阻特性,可提供給各種封裝形式使用。
 

(三)銅:具備高強度的特性,可將線材製作到更細的線徑但維持相同的強度,因此可挑戰更高難度的連接形狀(如:封裝層疊)。然而其易氧化的特性容易使晶片失效,因此通常會在線材的外層鍍上一層抗氧化的薄膜來克服這樣的問題。因此封裝用銅線的應用,就主要分成鍍層線及超高純度銅線二類,其中鍍層線又以鈀金屬為最大宗。
 

(四)鋁:雖然具有良好的導熱性和抗蝕性,易於與晶片的鋁墊片形成穩定的接合,且成本低廉、價格穩定的優勢,然而過去的應用由於其導電性不佳、加熱後沒有足夠的表面張力去形成球狀,讓鋁線在晶片封裝球銲製程上一直缺席。近幾年由於技術上的突破,才開始又被探討及應用。事實上鋁易於抽線,而且抗輻射能力強,加上其不像金線容易與晶片上鋁墊片形成有害的金屬間化合物(紫斑或白斑),而降低接合接觸強度,增大接觸電阻,進而降低電路的可靠性,因此未來的應用成長性,將非常值得被期待。
 

三、封裝用導線國際標竿廠商
 

全球封裝用導線主要標竿廠商有Heraeus(德)、Tanaka(日)、新日鐵、MKE、住友等,中國大陸近年來也有多家封裝導線廠商如:北京達博、天津世星、杭州菱慶、寧波康強、貴研鉑業等,現階段也藉由積極的投入與研發,已經在封裝導線市場上占有一席之地。以下將分別介紹Tanaka和Heraeus兩家標竿廠商。
 

(一)Tanaka(日本田中貴金屬集團)
 

1889年,Tanaka(日本田中貴金屬集團)是日本首家白金線工業化製造的公司。近年來更是在半導體接合用極細金線上有很良好的表現。目前在打線接合製造領域之市占率為全球第一,並於2011年在台灣成立分公司。目前Tanaka封裝用產品包含金、銅、銀、鋁之高純度封裝導線,其鋁導線/鋁帶產品種類主要有以下四項:
 

1.Al-Si線(Al-1% Si,摻雜Ni)(如圖3):直徑18~80μm。
 

2.功率元件用粗鋁導線:直徑100~500μm。
 

3.高溫功率元件用粗鋁導線(Al 99%):直徑100~500μm。
 

4.鋁帶(如圖4):寬0.5mm~2.0mm、厚0.05mm~0.25mm。
 

圖3  封裝Al-Si線外觀

資料來源:http://pro.tanaka.co.jp
圖3 封裝Al-Si線外觀
 

圖4  封裝鋁帶外觀

資料來源:http://pro.tanaka.co.jp
圖4 封裝鋁帶外觀
 

(二)Heraeus(賀利氏)
 

Heraeus Holding GmbH簡稱賀利氏或Heraeus,是1851年在德國創立。其主要業務生產貴金屬、特殊金屬、牙醫物料、醫療科技、石英玻璃、傳感器,以及專業光源產品。其總部位於德國哈瑙,集團超過120家企業,員工數目達12,931人,2014 年貴金屬貿易收入約122億歐元,其他產品營業收入約34億歐元。2002年Heraeus在台灣設立分公司,並在桃園南崁設有靶材工廠與太陽能銀膠工廠及工程實驗室,主要銷售產品有貴金屬材料、電子材料、紅外線加熱器、紫外線燈管及特殊化學品等。
 

而後賀利氏(中國)投資有限公司,即賀利氏大中華地區總部,更於2014年底正式成立。目前賀利氏在大中華地區一共擁有2,500多名員工和20家公司。Heruaes目前在中國大陸封裝用導線的產量占中國大陸整體總產量80%以上,中國大陸市場占有率超過56%。
 

四、未來發展趨勢
 

綜整上述,雖然半導體封裝在打線接合製程使用的線材一直以金線為主流,事實上2013年開始封裝用金線的市場規模比例降至50%,反之,封裝用銅線的市場規模已開始逐步上升。2008年封裝用銅線僅占整個封裝用導線需求量的5%,2010年則增加到7%,2011年開始有了更大幅度的成長,其市場需求量已達到整體需求量的26.5%,約21.5噸/年(48億米),2012年則繼續成長至35.8% ,2016年開始,封裝用銅線的市場需求成長率已超過金線之需求。
 

台灣半導體封裝用打線主要需求廠商以日月光、矽品及華泰為主,目前台灣打線封裝市場已經以銅打線取代金打線封裝,全球銅打線封裝製程,以日月光為領先,矽品次之,STATS ChipPAC也積極擴展其銅打線產能。如前述,相對金或銀線來說,銅線具備成本優勢,且擁有高導電性、導熱性、在高溫下有高可靠度等優點。過去銅線硬度高且易氧化的問題一直待克服的瓶頸,而近兩年IC封裝業者與外國導線廠在技術上已逐漸突破銅線封裝應用的障礙,二年前,台灣風青實業公司與成功大學合作,開發出抗氧化精細銅導線,也成為臺灣第一家0.6mil高階銅導線製造廠家,成長扭轉材料長期依賴國外進口的情況。
 

鋁線的部分,2015年4月台灣已成功將奈米鋅層鍍在精細鋁線,並藉由活化熱處理提升線材的強度與韌性,掌握到可以燒結成球的精細鍍鋅鋁線,開啟了鋁導線應用的新紀元。此一技術已獲得台灣發明專利,也取得中國的發明專利。未來鋁導線的研發若能再朝提高其耐熱性(提高再结晶温度)、耐蝕性、延展性、硬度均一性等方向發展,則鋁導線憑藉其成本優勢,將可更廣泛地被應用於馬達、白色家電、不斷電系統、電動車、智慧電網、風力發電等高功率IC元件封裝產業中。
 

(本文作者為金屬中心執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2019-12-18

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