引线键合(电子制造技术ppt)
元器件的互连封装技术—引线键合技术
应用范围
低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片 互连的主要工艺方法，用于下列封装：
• 陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片 • 陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs) • 芯片尺寸封装 (CSPs) • 板上芯片 (COB)
芯片互连例子
采用引线键合的芯片互连
两种键合焊盘
球形键合
铝合金线为超音波最常见的线材；金线亦可用于超音 波接合，它的应用可以在微波元件的封装中见到。
楔形键合
其穿丝是通过楔形劈刀 背面的一个小孔来实现 的，金属丝与晶片键合 区平面呈30～60°的角 度，当楔形劈刀下降到 焊盘键合区时，楔头将 金属丝按在其表面，采 用超声或者热声焊而完 成键合。
超音波接合只能产生楔形接点(Wedge Bond)。它所能 形成的形成的连线弧度(称为Profile)与接点形状均小于其 他引线键合方法所能完成者。因此适用于焊盘较小、密度 较高的IC晶片的电路连线；但超音波接合的连线必须沿著 金属迴绕的方向排列，不能以第一接点为中心改变方向， 因此在连线过程中必须不断地调整IC晶片与封装基板的位 置以配合导线的迴绕，不仅其因此限制了键合的速度，亦 较不利于大面积晶片的电路连线。
元器件的互连封装技术 —引线键合技术
Review
电子封装始于IC晶片制成之 后，包括IC晶片的粘结固定、电 路连线、密封保护、与电路板之 接合、模组组装到产品完成之间 的所有过程。
电子封装常见的连接方法有 引线键合(wire bonding，WB)、载 带自动焊（tape automated bonding, TAB）与倒装芯片(flip chip, FC)等 三种，倒装芯片也称为反转式晶 片接合或可控制塌陷晶片互连 (controlled collapse chip connection ,C4 ) 。
引线键合（WireBonding）
引线键合（WireBonding）引线键合(Wire Bonding)——将芯片装配到PCB上的方法 | SK hynix Newsroom结束前工序的每一个晶圆上，都连接着500~1200个芯片（也可称作Die）。
为了将这些芯片用于所需之处，需要将晶圆切割(Dicing)成单独的芯片后，再与外部进行连接、通电。
此时，连接电线（电信号的传输路径）的方法被称为引线键合（Wire Bonding）。
其实，使用金属引线连接电路的方法已是非常传统的方法了，现在已经越来越少用了。
近来，加装芯片键合（Flip Chip Bonding）和硅穿孔（Through Silicon Via，简称TSV）正在成为新的主流。
加装芯片键合也被称作凸点键合（Bump Bonding），是利用锡球（Solder Ball）小凸点进行键合的方法。
硅穿孔则是一种更先进的方法。
为了了解键合的最基本概念，在本文中，我们将着重探讨引线键合，这一传统的方法。
一、键合法的发展历程图1. 键合法的发展史：引线键合(Wire Bonding)→加装芯片键合(Flip Chip Bonding)→硅穿孔（TSV）下载图片为使半导体芯片在各个领域正常运作，必须从外部提供偏压（Bias voltage）和输入。
因此，需要将金属引线和芯片焊盘连接起来。
早期，人们通过焊接的方法把金属引线连接到芯片焊盘上。
从1965年至今，这种连接方法从引线键合(Wire Bonding)，到加装芯片键合(Flip Chip Bonding)，再到TSV，经历了多种不同的发展方式。
引线键合顾名思义，是利用金属引线进行连接的方法；加装芯片键合则是利用凸点（bump）代替了金属引线，从而增加了引线连接的柔韧性；TSV作为一种全新的方法，通过数百个孔使上下芯片与印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）相连。
二、键合法的比较：引线键合(Wire Bonding)和加装芯片键合(Flip Chip Bonding)图2. 引线键合(Wire Bonding) VS加装芯片键合(Flip Chip Bonding)的工艺下载图片三、引线键合（Wire Bonding）是什么？图3. 引线键合的结构（载体为印刷电路板（PCB）时）下载图片引线键合是把金属引线连接到焊盘上的一种方法，即是把内外部的芯片连接起来的一种技术。
引线键合
热压焊：金属线过预热至约300至400℃的氧化铝(Al2O3)或 碳 化 钨 （ WC） 等 耐 火 材 料 所 制 成 的 毛 细 管 状 键 合 头 （Bonding Tool/Capillary,也称为瓷嘴或焊针），再以电火 花或氢焰将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力效应使 线之末端成球状（其直径约金属线直径之2倍），键合头 再将金属球下压至已预热至约150至250℃的第一金属焊盘 上进行球形结合（Ball Bond）。在结合时，球点将因受压 力而略为变形，此一压力变形之目的在于增加结合面积、 减低结合面粗糙度对结合的影响、穿破表面氧化层及其他 可能阻碍结合之因素，以形成紧密之结合。
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底面角
4 degree 专门设计用于解决8度或者0度的问题， 建议使用小的键合头
8 degree 一般用途，很好的第二键合点丝线截断能力 15 degree 仅仅用于热压焊，使用较少
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键合头直径 （T）
主要影响第二键合点的强度， 在允许的范围内应该尽可能大， 小键合头适合于较密（细间距） 键合， 小键合头适合于手工操作。
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2013/1/14
铝丝
• 纯铝太软而难拉成丝，一般加入 1% Si 或者1% Mg以提 高强度。 • 室温下1% 的Si 超过了在铝中的溶解度，导致Si的偏析， 偏析的尺寸和数量取决于冷却数度，冷却太慢导致更多 的Si颗粒结集。Si颗粒尺寸影响丝线的塑性，第二相是疲 劳开裂的萌生潜在位置。 • 掺1%镁的铝丝强度和掺1% 硅的强度相当。 • 抗疲劳强度更好，因为镁在铝中的均衡溶解度为2%,于 是没有第二相析出。
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2013/1/14
键合头镀层
光滑涂层 • 较长的使用寿命 ， • 要进行抛光 ， • 使得第二键合点光亮， • 减少金属的残留和聚集
引线键合详解
比较
球形键合：将键合引线垂直插入毛细管劈
刀的工具中,引线在电火花作用下受热成液 态,由于表面张力的作用而形成球状,在摄像 和精密控制下,劈刀下降使球接触晶片的键 合区,对球加压,使球和焊盘金属形成冶金结 合完成焊接过程,然后劈刀提起,沿着预定的 轨道移动,称作弧形走线,到达第二个键合点 (焊盘)时,利用压力和超声能量形成月牙式 焊点,劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。这 样完成两次焊接和一个弧线循环。
Au-Cu 系：1. 金丝键合到铜引脚上情形, 2. 三种柔软的IMC相(Cu 3 Au, AuCu, 和Au 3 Cu)活化能在0.8到1电子伏特之间,它们在高温(200325oC)时候由于柯肯达尔效应容易降低强度, 3. 强度的降低明显取决 于微观结构、焊接质量和铜的杂质含量, 4. 表面清洁度对于可键合性 以及可靠性至关重要,5. 另外如果有机聚合材料用于晶片的连接,那么聚 合材料要在保护气氛下固化以防止氧化。 Au-Ag 系：1. Au-Ag 键合系的高温长时间可靠性很好, 2. 无IMC形成 且无腐蚀 3. 金丝键合到镀银的引脚上已经使用多年 4. 硫的污染会影 响可键合性 5. 常在高温下(约250oC)进行热声键合,以分离硫化银膜而 提高可键合性。 Al-Ag 系：1. Ag-Al 相图非常复杂,有很多IMC, 2. 柯肯达尔效应容易 发生,但是在工作温度以上, 3. 实际很少使用这种搭配,因为相互扩散和 湿度条件下的氧4. 氯是主要的腐蚀元素,5. 键合表面必须要用溶剂清洗. 然后用硅胶防护。 Al-Ni 系：1. Al-Ni键合使用直径大于75µm的Al线, 以避免发生柯肯达 尔空洞效应。2. 应用于高温功率器件,如航行器的叶片。3. 对于键合区, 多数情况下Ni是通过硼化物或者磺胺溶液化学镀沉积的,而化学镍磷镀 会引入6 至8% 的磷而影响可靠性,但是Ni的氧化也会产生可键合性的 问题。镀Ni的键合应该进行化学清洗。
引线键合
引线键合(wire bonding，WB)引线键合的定义：用金属丝将芯片的I/O端（内侧引线端子）与相对应的封装引脚或者基板上布线焊区（外侧引线端子）互连，实现固相焊接过程，采用加热、加压和超声能，破坏表面氧化层和污染，产生塑性变形，界面亲密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点，键合区的焊盘金属一般为Al或者Au等，金属细丝是直径通常为20~50微米的Au、Al或者Si—Al丝。
历史和特点1957 年Bell实验室采用的器件封装技术，目前特点如下：• 已有适合批量生产的自动化机器；• 键合参数可精密控制，导线机械性能重复性高；• 速度可达100ms互连（两个焊接和一个导线循环过程）；• 焊点直径：100 μｍ↘ 50μｍ，↘ 30 μｍ；• 节距：100 μm ↘55 μm，↘35 μm ；• 劈刀(Wedge,楔头)的改进解决了大多数的可靠性问题；• 根据特定的要求，出现了各种工具和材料可供选择；•已经形成非常成熟的体系。
应用范围低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法，用于下列封装（适用于几乎所有的半导体集成电路元件，操作方便，封装密度高，但引线长，测试性差）1.陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片2.陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs)3.芯片尺寸封装 (CSPs)4.板上芯片 (COB)两种键合焊盘1.球形键合球形键合第一键合点第二键合点2.楔形键合楔形键合第一键合点第二键合点三种键合（焊接、接合）方法引线键合为IC晶片与封装结构之间的电路连线中最常使用的方法。
主要的引线键合技术有超音波接合（Ultrasonic Bonding, U/S Bonding）、热压接合(Thermocompression Bonding,T/C Bonding)、与热超音波接合(Thermosonic Bonding, T/S Bonding)等三种。
机理及特点1.超声焊接：超音波接合以接合楔头(Wedge)引导金属线使其压紧于金属焊盘上，再由楔头输入频率20至60KHZ，振幅20至200μm，平行于接垫平面之超音波脉冲，使楔头发生水平弹性振动，同时施加向下的压力。
引线键合详解ppt课件
1.3 历史和特点 1957年Bell实验室采用的器件封装技术,目前特 点如下: 已有适合批量生产的自动化机器, 键合参数可精密控制,导线机械性能重复性高 速度可达100-125ms/互连(两个焊接和一个导 线循环过程) 间距达50 um 而高度可低于 劈刀的改进解决了大多数的可靠性问题 根据特定的要求,出现了各种工具和材料可供 选择 已经形成非常成熟的体系
成都工业学院 微电子专业 10241 07 王倩
第一章 概论
1.1 简介 1.2 工艺方法
1.2.1 超 声焊接
1.2.2 热 压焊接
1.2.3 热
声第焊二接章 1.线3 材特点
2.1 纯金属 2.1.1
金丝 2.1.2
铝丝 2.1.3
铜丝
2.2 金属冶金系 2.2.1 Au-
Au系 2.2.2 Au-
4.1.2 焊盘产生弹坑 4.1.3 键合点开裂和翘起
4.1.3.1 开裂原因 4.1.4 键合点尾部不一致 4.1.5 键合点剥离 4.1.6 引线框架腐蚀
4.2 可靠ห้องสมุดไป่ตู้失效
第五章 清洗
4.2.1 IMC的形 成
5.1 概述 5.2 清洗方
法 4.2.1.1 原因
5.2.1
4.2.1.2 疲劳
空洞形成
等第离六子章体清应洗用
4.2.2 丝线弯曲紫外臭氧清洗
6.1 范围5.2.2 6.2 实例
4.2.3 键合点翘 第七章 未来发展
起
4.2.4 键合点腐
蚀
4.2.5 金属迁移
4.2.6 振动疲劳
第一章
1.1 简介
用金属丝将芯片的I/O端与对应的封装引脚或者基板上布线焊区互连,固相焊 接过程,采用加热、加压和超声能,破坏表面氧化层和污染,产生塑性变形,界面亲 密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点,键合区的焊盘金属一般为Al或者Au等, 金属细丝是直径为几十到几百微米的Au、Al或者Si-Al丝。
引线键合详解.
键合头镀层：
锥体角度(C.A.)主要影响到达键合位置的能力,
光滑涂层
尤其是细间距情况下以及到达第二点的距离。
•较长的使用寿命,
•要进行抛光,
•使得第二键合点光亮,
• 减少金属的残留和聚集
粗糙的涂层
•仅仅内斜面抛光,
•第二键合点强度高,
•第一键合点光亮 •提高超声能作用
30/20 degree C.A 平颈
底面角
4 degree：专门设计用于解决8度或者0度的问题,建议使用小的键合头 8 degree ：一般用途,很好的第二键合点丝线截断能力 15 degree： 仅仅用于热压焊,使用较少. 键合头直径(T)：主要影响第二键合点的强度,在允许的范围内应该尽可能 大,小键合头适合于较密(细间距)键合,小键合头适合于手工操作。
1.2 工艺方法
超声焊接:利用超声波(60~120KHz)发生器使劈刀发生水平弹性振动, 同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速 摩擦,引线受能量作用发生塑性变形,在25ms内与键合区紧密接触成焊接。常用于 Al丝的键合。键合点两端都是楔形。 热压焊:利用加压和加热,使得金属丝与焊区接触面的原子间达到原子的引力范围, 从而达到键合目的。基板和芯片温度达到约150°C ,常用于金丝的键合,一端是 球形,一端是且楔形,常用于金丝的键合。 热声焊:用于Au和Cu丝的键合。它也采用超声波能量,但是与超声不同点的是:键 合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀掉表面氧化层。外加热量的目的是激活 材料的能级,促进两种金属的有效连接以及金属间化合物(IMC)的扩散和生长。。
Au-Au 系：1. 金丝线与金焊盘键合最可靠, 2. 没有界面腐蚀和金属间化合物形成, 3. 即使进行冷超声也能形成键合, 4. 热压和热声焊很容易进行, 5. 表面污染严重影响热压焊的可键合性 Al-Al 系：1. 极其可靠,无IMC,无腐蚀,
第二讲微系统封装技术-引线键合
• 贴片：Die Bonding • 引线键合：Wire Bonding
贴片
• 贴片工艺：将芯片通过焊料或胶贴装到 金属引线框架上使芯片与引线框架固连 的过程。
表列举常用贴片用胶的性能；
优 点
名 称 酚酰树脂类[Phenolics] 聚胺脂类 [Polyurethanes 聚酰胺树脂类 [Polyamides] 聚酰亚胺类 [Polyimides] 有机硅树脂类 [Silicons] 连接强度非常高 返工容易 返工容易 大多数用于结构连接，固化 温度较高，有一定腐蚀性. 不适用高于120℃，较高放 气率,易分解。 较高的吸湿性及放气性当组 件暴露在高湿气氛中，电绝 缘性变化 固化温度高，需溶剂作为载 体。中-低连接强度 温度膨胀系数高， 腐蚀性浸析性和放气 性，与粘结剂固化温度有关 低放气性• 在潮湿或温度上 升 150℃]，连接强度降低。
白斑：Au2Al
键合强度（破坏性键合拉力试验）
试验条件 引线成分 和直径 结构 最小键合强度N 密封前 A A A A A A A B Al 18μ m Au 18μ m Al 25μ m Au 25μ m Al 32μ m Au 32μ m Al 33μ m Au 33μ m Al 38μ m Au 38μ m Al 50μ m Au 50μ m Al 76μ m Au 76μ m 各种规格 引线 引线 引线 引线 引线 引线 引线 倒装片 0.015 0.02 0.025 0.03 0.03 0.04 0.03 0.04 0.04 0.05 0.054 0.075 0.12 0.15 0.05×键合数 密封后 0.010 0.015 0.015 0.025 0.02 0.03 0.02 0.03 0.025 0.04 0.04 0.054 0.08 0.12
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半导体封装内部的两种连接方式
引线键合
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倒装芯片
定义：引线键合是以非常细小的金属引线的 两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接
分类：
键合工具 键合条件 引线
球键合
热压键合 金线键合
楔键合
超声键合 铜线键合
常用:热超声金丝 球键合
热超声键合 铝线键合
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❖ 热压键合 ❖ 热压键合是引线在热压头的压力下,高温加热( > 250 ℃)焊丝发
球键合
热压
热超声
劈刀
A
楔键合 超声波
楔
Au、Al Al、Au
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基本步骤：
芯片表面
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第一焊点，线弧
引线框架/基板
第二焊点
主要工艺参数介绍
❖ 键合温度
❖ WB 工艺对温度有较高的控制要求。过高的温度不 仅会产生过多的氧化物影响键合质量，并且由于热 应力应变的影响，图像监测精度和器件的可靠性也 随之下降。在实际工艺中，温控系统都会添加预热 区、冷却区，提高控制的稳定性，需要安装传感器 监控瞬态温度
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三种键合工艺比较
键合工艺 键合压力 键合温度 超声波 （℃） 能量
热压型
高
300-500 无
超声型
低
25 有
热超声型 低
100-150 有
适用
适用
引线材料 焊盘材料
Au Au、Al
Al、Au Al、Au
Al、Au Au
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两种键合形式比较
速度 键合形式 键合工艺 键合工具 引线材料 焊盘材料 v/ N·s - 1
❖ Au - Al系:是引线键合中最广泛使用的系统。
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引线键合材料
❖ 超声波系统
❖ 主要目的：降低键合温度 ❖ 两种类型: 恒压和恒流， ❖ 事实表明: 恒压发生器性能要优于恒流
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影响内引线键合可靠性的因素
❖ 界面上绝缘层的形成 ❖ 金属化层缺陷 ❖ 表面沾污, 原子不能互扩散 ❖ 材料间的接触应力不当 ❖ 环境不良 ❖ 键合引线与电源金属条之间放电引起失效(静电损伤)
❖ 超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合 球的变形起主导作用。
❖ 过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起； 过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。
❖ 增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键 合工具更多的传递到键合点处
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引线键合材料
❖ 焊接工具
❖ 焊接工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧 等作用。
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主要工艺参数介绍
❖ 键合时间
❖ 通常都在几毫秒，键合点不同，键合时间也不一样 ❖ 一般来说，键合时间越长，引线球吸收的能量越多
，键合点的直径就越大，界面强度增加而颈部强度 降低。 ❖ 但是长的时间，会使键合点尺寸过大，超出焊盘边 界并且导致空洞生成概率增大
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主要工艺参数介绍
❖ 超声功率与键合压力
生形变,通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法 ❖ 超声波键合 ❖ 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。 ❖ 热超声键合 ❖ 热压超声波键合工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。可 降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性
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改进键合质量的措施
❖ 严格器材检验, 认真处理管壳及芯片 ❖ 加强金属化工艺蒸发的前处理 ❖ 清洁保护措施
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工艺优化方法
❖ 封装工艺的研究方式主要是数据实验分析和理论分 析。
❖ 理论方法一般通过有限元分析，了解键合机理，达 到优化工艺参数的目的
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引线键合质量与可靠性评价标准
❖ 用于引线键合评价的国际标准如下(未特殊注明的均出自MIL - STD - 883E) : ❖ 内部观察(方法2010 ;测试条件A 和B) ; ❖ 传输延迟测量(方法3003) ; ❖ 破坏性键合拉脱力测试(方法2011) ; ❖ 非破坏性键合拉脱力测试(方法2023) ; ❖ 球键合剪切力测试(ASTMFl269 - 89) ; ❖ 恒加速度(方法2001 ,测试条件E) ; ❖ 随机振动(方法2026) ; ❖ 机械冲击(方法2002) ; ❖ 热老化(方法1008) ; ❖ 耐潮湿性(方法1004) 。
❖ 楔键合所使用的焊接工具叫楔形劈刀,通常是钨碳或是 碳钛合金,在劈刀尾部有一个呈一定角度的进丝孔;
❖ 球键合使用的工具称为毛细管劈刀,它是一种轴形对称 的带有垂直方向孔的陶瓷工具。
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引线键合材料
❖ 引线材料
❖ Au丝:键合后不需密闭封装。表面清洁度是保证可靠连 接和防止劈刀阻塞的重要因素。
❖ Al丝:其键合成本和温度较低，通常添加质量分数为1% 的Si或1%的Mg以合金强化
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