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浅析引线键合
摘要：随着集成电路的发展, 先进封装技术不断发展变化以适应各种半导体新工艺和新材料的要求和挑战。半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输入/ 输出畅通的重要作用,是整个后道封装过程中的关键。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位, 目前所有封装管脚的90%以上采用引线键合连接[1]。
关键词：集成电路 引线键合方向发展
Abstract: with the development of integrated circuits, advanced packaging technology constantly changing to adapt to all kinds of semiconductor of new technology and new material requirements and challenges. Semiconductor package internal chip and the external pin and the connection between the chip having established chip and external electrical connection, ensure the chip and outside between the input / output smooth important role, the whole package after the road is the key process in the. Wire bonding technology to achieve a simple, low cost, suitable for various packaging forms and in a connection mode in the dominant, all current package pins above 90% using a wire bond connection [1].
Key words: integrated circuit lead wire bonding direction
目前封装形式一方面朝着高性能的方向发展，另一方面朝着轻薄短小的方向发展，对封装工艺圆片研磨、芯片粘贴、引线键合都提出了新的要求。其中引线键合是很关键的工艺，键合质量好坏直接关系到整个封装器件的性能和可靠性。根据器件封装形式的不同，选择合适的引线，合适的键合方式，对器件电性能和可靠性也是至关重要的。
引线键合工艺分为3 种：热压键合，超声波键合与热压超声波键合[2～3]。
热压键合是引线在热压头的压力下，高温加热 (>250 ℃)金属线发生形变，通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法。键合时，被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。金属受压后产生一定的塑性变形，而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围，两种金属原子产生相互扩散,形成牢固的焊接。
超声波键合不加热(通常是室温)，是在施加压力的同时，在被焊件之间产生
超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为:在焊接开始时，金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动，为纯净金属表面间的接触创造了条件。而接头区的温升以及高频振动，又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态[4]。因此，当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥，即实现了所谓金属“键合”过程。超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度，且具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。
热压超声波键合工艺包括热压键合与超声波键合两种形式的组合。就是在超声波键合的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，加热温度较低 (低于Tc 温度值，大约150 ℃)，加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子) 间作用力，金属的扩散在整个界面上进行，实现金属线的高质量焊接。热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为引线键合的主流。
引线键合有两种基本形式：球键合与楔键合。这两种引线键合技术的基本步骤包括：形成第一焊点(通常在芯片表面)，形成线弧，最后形成第二焊点(通常在引线框架／基板上)。两种键合的不同之处在于：球键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。
球键合时将金丝穿过键合机劈刀毛细管，到达其顶部，利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花以熔化金属丝在劈刀外的伸出部分，在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形，球直径一般是线径的2倍一3倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的时间内将金球压在电极或芯片上。键合过程中，通过劈刀向金属球施加压力，同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散，并完成第1次键合，然后劈刀运动到第2个键合位置，第二点焊接包括针脚式焊接和拉尾线，通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔焊的方式完成第2次键合，焊接之后拉尾线是为下一个键合循环金属球的形成作准备。劈刀升高到合适的高度以控制尾线长度，这时尾端断裂，然后劈刀上升到形成球的高度。形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭”过程实现的，所形成的球即为自由空气球。球焊是一种全方位的工艺(即第二次焊接可相对第一次球焊360。任意角度)。球键合一般采用直径75 m以下的细金丝。因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成球性好。一般用于焊盘间距大于100 m的情况下。
楔形键合是用楔形劈刀将热、压力、超声传给金属线在一定时间形成焊接，焊接过程中不出现焊球。楔形键合工艺中，金属线穿过劈刀背面的通孔，与水平的被键合表面成30°～60°角度。在劈刀的压力和超声波能量的作用下，金属线和焊盘金属的纯净表面接触并最终形成连接。楔形键合是一种单一方向焊接工艺(即第二焊点必须对准第一焊点的方向)。传统的楔形键合仅仅能在线的平行方向上形成焊点，旋转的楔形劈刀能使楔形键合机适合不同角度的焊线，在完成引线操作后移动到第二焊点之前劈刀旋转到程序规定的角度。在使用金线的情况下，
稳定的楔形键合能实现角度小于35°的引线键合。楔形键合主要优点是适用于精细间距(如50 μm 以下的焊盘间距)低线弧形状，可控制引线长度，工艺温度低。常见楔形键合工艺是室温下的铝线超声波键合，其成本和键合温度较低。而金线采用150 ℃下的热压超声波键合，其主要优点是键合后不需要密闭封装。由于楔形键合形成的焊点小于球形键合，特别适用于微波器件、尤其是大功率器件的封装。但由于键合工具的旋转运动，其总体速度低于热压超声波球形键合
键合质量的好坏对封装成品的可靠性影响很大。影响键合质量的因素有很多。首先，引线键合过程中的工艺参数直接影响键合质量的高低，合理的参数设置可以打出高质量的焊点。键合过程的失效包括焊点的凹陷坑，键合的破裂和脱落[4].发生焊点凹陷坑说明在芯片键合焊点下面的硅晶体可能有破裂。这是由于键合参数设定不合适造成的，如温度，超声功率，键合压力以及键合时间等。超声能量会导致硅晶体在与键合工具垂直移动的方向上形成错位和晶面重叠等缺陷，降低硅断裂强度，为了减少凹陷，可适当提升温度，降低超声功率，降低超声振幅。引线键合的最薄弱的地方往往是月牙形键合的根部和球键合的颈部。键合根部的破裂可能是工艺过程中拉弧参数设置不当的结果。颈部的破裂可能是由于金属间的扩散货中间金属的形成导致引线变脆。键合剥离可能是由于热应力或模塑时密封材料的流动造成的张应力或剪切应力。其次，功率管壳外引线金属镀层的附着性和可焊性也对键合质量有影响。由于管壳引线腿的材料，镀层以及键合时，因为引线腿的振动而导致超声能量不集中等原因，使得外引线键合容易产生脱焊。另外，经过高温，长时间考核后外引线键合的键合强度也会出现退化，从而使得键合强度的分散性较大。因此，外壳的镀层结构对电路的简化强度影响很大 [5]。还有，键合区的平整度对细铝丝超声键合强度有一定的影响。席俭飞[6]实验表明，随着平整度的提高，键合强度也随之提高。随着沙粒的细化，键合强度对平整度的敏感降低。
引线键合作为半导体后道工序中的关键，在未来相当长一段时间仍将是封装内部连接的主流方式。随着封装尺寸的减小，新材料、新封装形式的应用，对于引线键合工艺的可靠性及稳定性提出了更高的要求。
[1] 何田.引线键合技术的现状和发展趋势[J].电子工业专用
设备，2004，33（10）：12-14。
[2] 晁宇晴，杨兆建，乔海灵.引线键合技术进展[J].电子工艺
技术，2007，28（4）：205-210。
[3] 董永谦.热声焊机的研制及工艺研究[J].电子工艺技术，
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[4]刘长宏面向引线键合工艺的质量影响因素与规律的分析
[5]庞宝忠 镀层材料对键合质量的影响
[6]席俭飞 平整度对细铝丝超声引线键合强度的影响[J]. 半导体技术 2009，11