芯片互连引线键合技术
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 ) 。
封装工艺流程(1)
焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属
布线焊区（Pad）用金属细丝连接起来的工
艺技术。
WB技术作用机理
❖
提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，
使焊区金属产生塑性变形，使得引线与被焊
面紧密接触，达到原子间引力范围并导致界
面间原子扩散而形成焊合点。引线键合键合
❖ 铜：近年来，大量用于集成电路互连。铜比
铝有较高的导电率；铜丝相对于金丝具有成
本低、强度和刚度高、适合于细间距键合的
优点。
❖
引线键合的关键工艺
❖
❖
关键工艺：温度控制、精确定位控制、工作
参数设定。
应用对象：低密度连线封装（＜300个接点）
引线键合的技术缺陷
1.
2.
3.
多根引线并联产生邻近效应，导致电流分布
对芯片的影响，同时还可以屏蔽电磁干扰。
③各向异性导电聚合物:电流只能在一个方向流动。
❖ 导电胶功能：（形成化学结合、具有导电功能）
❖
2.3.4 玻璃胶粘贴法
与导电胶类似，玻璃胶也属于厚膜导体材料（后面
我们将介绍）。不过起粘接作用的是低温玻璃粉。它
是起导电作用的金属粉（Ag、Ag-Pd、Au、Cu等）
出现废品。
Chipping Die
崩边
2.3 芯片粘贴
芯片贴装：也称芯片粘贴，是将芯片固定
于封装基板或引脚架芯片的承载座上的工
艺过程。
贴装方式4种：
❖ 共晶粘贴法（Au-Si合金）
❖ 焊接粘贴法（Pb-Sn合金焊接）
❖ 环氧树脂粘结（重点）
❖ 玻璃胶粘贴法
引线框架
装
架
引线
键合技术 引线键合的失效机理
引线键合的失效机理目录1、引线键合---------------------------------------------------3 1.1常用的焊线方法-------------------------------------------31.1.1热压键合法--------------------------------------------31.1.2超声键合法--------------------------------------------31.1.3热超声键合法------------------------------------------31.1.4三种各种引线键合工艺优缺点比较------------------------41.2引线键合工艺过程-----------------------------------------42、键合工艺差错造成的失----------------------------------------62.1焊盘出坑------------------------------------------------7 2.2尾丝不一致----------------------------------------------72.3键合剥离------------------------------------------------72.4引线弯曲疲劳--------------------------------------------72.5键合点和焊盘腐蚀----------------------------------------72.6引线框架腐蚀--------------------------------------------82.7金属迁移------------------------------------------------82.8振动疲劳------------------------------------------------83、内引线断裂和脱键--------------------------------------------84、金属间化合物使Au—Al系统失效-------------------------------9 4.1 Au—Al 系统中互扩散及金属间化合物的形成-----------------9 4.2杂质对Au—Al系统的影响----------------------------------94.3改善方法------------------------------------------------105、热循环使引线疲劳而失效-------------------------------------10 5.1热循环峰值温度对金相组织的影响--------------------------10 5.2热循环峰值温度对冲击功的影响----------------------------105.3引线疲劳------------------------------------------------116、键合应力过大造成的失效-------------------------------------11 参考文献-------------------------------------------------------121、引线键合引线键合是芯片和外部封装体之间互连最常见和最有效的连接工艺。
半导体封装互连技术详解
1.引言任何一个电子元件，不论是一个三极管还是一个集成电路（Integrated Circuit, IC），想要使用它，都需要把它连入电路里。
一个三极管，只需要在源极、漏极、栅极引出三根线就可以了，然而对于拥有上百或上千个引脚的超大规模集成电路（Very Large Scale Integration Circuit, VLSI）来说，靠这种类似于手动把连线插到面包板的过程是不可能的。
直接把IC连接到（未经封装的集成电路本体，裸片，Die）电路中也是不可能实现的，因为裸片极容易收到外界的温度、杂质和外力的影响，非常容易遭到破坏而失效。
所以电子封装的主要目的就是提供芯片与其他电子元器件的互连以实现电信号的传输，同时提供保护，以便于将芯片安装在电路系统中。
一般的半导体封装都类似于下面的结构，将裸片安装到某个基板上，裸片的引脚通过内部连接路径与基板相连，通过塑封将内部封装好后，基板再通过封装提供的外部连接路径与外部电路相连，实现内部芯片与外界的连接，就像上面两个图一样，裸Die和封装内部复杂的连接等都埋在里面，封装好后就是对外就是一些规整的引脚了。
不论是多复杂的封装，从黑盒的角度来看其实现的基本功能都是一样的，最简单的就是封装一个分立器件，给出几个引脚；复杂一点想要封装具有多个I/O 接口的IC，以及多个IC一起封装，在封装的发展过程中也发展出了很多封装类型和很多技术，比如扇出技术、扇入技术这些。
这些概念和缩写非常多，尤其是当谈到先进封装（Advanced Packaging）的时候，为了实现高密度集成以及快速信号传输这些需求，不得不在每一个地方都发展一些新的技术，很多情况下会把它们都并入到先进封装技术里来介绍，这有时候会引起一些困惑，这里主要整理一下IC封装里的互连技术。
在IC封装种几种典型的互连技术包括引线键合（Wire Bonding，WB）、载带自动焊（Tape-automated Bonding，TAB）、倒装芯片（Flip Chip，FC）、晶圆级封装（Wafer-Level Packaging，WLP）、以及硅通孔（Through Silicon Via，TSV）。
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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5
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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6
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
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。
WB工艺技术
（2）化学反应 在化学反应里常用的气体有氢气（H2）、氧气（O2 ）、甲烷（CF4）等，这些气体在电浆内反应成高活性的 自由基，这些自由基会进一步与材料表面作反应。其反应 机理主要是利用等离子体里的自由基来与材料表面做化学 反应，在压力较高时，对自由基的产生较有利，所以若要 以化学反应为主时，就必须控制较高的压力来近进行反应 。例如氧气等离子体形成过程如下：
（2）电子与物体表面的作用 一方面电子对物质表面的撞击作用，可以促使吸附在物质表 面的气体分子发生分解和解析，另一方面大量的电子撞击有利引起 化学反应。出于电子质量极小，因此比离子的移动速度要快得多， 当进行等离子处理时，电子要比离子更早到达物质表面，并使表面 带有负电荷，这有利于引发进一步反应。 （3）离子与物质表面的作用 通常指的是带正电荷的阳离子的作用，阳离子有加速度冲向 带负电荷表面的倾向，此时是物质表面获得相当大的动能，足以撞 击去除表面上附着的颗粒性物质，我们把这种现象成为溅射现象， 而通过离子的冲击作用可极大促进物体表面化学反应发生的几率。 （4）紫外线与物体表面的作用 紫外线具有很强的光能，可使附着在物体表面的物质的分子 键发生断裂而分解，而且紫外线具有很强的穿透能力，可透过物质 表面深达数微米而产生反应作用。
2.1.2.3 等离子体与物体表面的作用 在等离子体中，除了气体分子、离子和电子外，还存在受到 能量激励状态的电中性的原子或者原子团（又称自由基），以及等 离子体发射出的光线，其中波的长短、能量的高低在等离子体和物 质表面相互作用时有着重要作用。 （1）原子团等自由基与物质表面的反应 由于这些自由基呈电中性，存在寿命较长，而且在等离子体 中的数量多于离子，因此自由基在等离子体中发挥着重要作用，自 由基的作用主要表现在化学反应过程中能量传递的“活化”作用， 处于激发状态的自由基具有较高的能量，因此易与物质表面分子结 合时形成新的自由基，新形成的自由基同样处于不稳定的高能量状 态，很可能发生分解反应，再变成较小分子的同时生成新的自由基， 这种反应过程还可能继续进行下去，最后分解成水、二氧化碳之类 的简单分子。在另一些情况下，自由基与物质表面分子结合的同时， 会释放出大量的结合能，这种能量又成为引发新的表面反应推动力， 从而引发物质表面上的物质发生化学反应而被除去。
芯片互连课件
供片系统按设定程序将下一个好的IC芯片转移到新的载 带引线图形下方进行对位．从而完成了一个完整的焊接过程。
(2)TAB的外引线焊接技术
经筛选和测试的载带芯片，将性能好的载带芯片沿载 带外引线的压焊区外沿剪下，先用粘接剂将芯片粘接在基板预 留的芯片位置上，并注意使载带外引线焊区与基板的布线焊区 一一对准，用热压焊法或热压回流焊法将外引线焊好，再固化 粘接剂(也可先固化，后压焊)。对采用引线框架或在生产线上 连续安装载带芯片的电子产品，可使用外引线压焊机将卷绕的 载带芯片连续进行外引线焊接，焊接时即时应用切断装置在每 个焊点外沿将引线和除PI支撑框架以外的部分切断并焊接。
很快在消费类电子产品中获得广泛的应用，主要用于液晶显 示、智能IC卡、计算机、电子手表、计算器、录像机和照相 机中：在这些应用小，日本使用TAB技术在数量和工艺技术、 设备诸方面都是领先的，直至今日仍是使用TAB的第一大户， 美、欧次之，亚洲的韩国也有一定的用量．俄罗斯也有使用。
TAB多 点 — 次 焊 接
(2) TAB双层带的制作技术
TAB双层带是指金属箔和PI两层而言。金属箔为Cu 箔或 A1箔，以Cu箔使用较多. PI是由液态聚酰胺酸(PA)涂覆在金属 箔上，然后再两面涂覆光刻胶，经光刻刻蚀，分别形成局部亚 胺化的PI框架和金属引线图形，同时形成定位传送孔；最后， 在高温(350度)下再将全部PA亚胺化，形成具有PI支撑架和金 属引线图形的TAB双层带，然后对引线图形进行电镀。
(4) TAB双金属带的制作技术
TAB双金属带的制作，可将PI膜先冲压出引线图形的支 撑框架，然后双面粘接Cu箔，应用双面光到技术，制作出双 面引线图形，对两个图形PI 框架间的通空孔再进行局部电镀 形成上下金属互连。
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基板电极
1. 定位（第一次键合）
加压 超声波振动
2. 键合
拉引
3. 定位（第2次键合）
4. 键合－切断
超声键合法工艺过程
超声键合实物图
引线键合接点外形
球形键合
第一键合点
第二键合点
楔形键合
第一键合点
第二键合点
引线键合技术实例
采用导线键合的芯片互连
特点及应用范围
低成本、高可靠、高产量等特点使得WB成为芯片互 连主要工艺方法，用于下列封装:
微互连技术之
引线键合技术
裸芯片 组装技
术
• 载带自动键合法 • 引线连接法 • 梁式引线法 • 倒装芯片法
微互联技术
倒装焊 微互联
技术
• C4法 • 表层回流互联法
压接倒 装互联
技术
• 导电性沾结剂连接 法
• 各向异性导电膜链 接法
• 利用表面电镀Au的 树脂微球进行连接 的方式
引线键合技术(WB)
超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下压 力。劈刀在两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩 擦，引线发生塑性变形，与键合区紧密接触完成焊接。常 用于Al丝键合，键合点两端都是楔形 。
热超声键合（金丝球）：用于Au和Cu丝的键合。采用超 声波能量，键合时要提供外加热源。
超声压头
Al 丝
芯片电极
在压力、温度的作用下形成连接
4
压头上升
压头高速运动到第二键合点，形成弧形
第 一 键 合 点 的 形 状
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6
在压力、温度作用下形成第二点连接
7
压头上升至一定位置，送出尾丝
8
夹住引线，拉断尾丝
引燃电弧，形成焊球进入下一键合循环
第二键合点
球形焊点
丝球焊点形状
契形焊点
热压球焊点的外观
超声键合作用机理
引线键合技术是将半导体裸芯片（Die）焊区与 微电子封装的I/O引线或基板上的金属布线焊区 （Pad）用金属细丝连接起来的工艺技术。
引线键合技术作用机理
提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，使焊区金 属产生塑性变形，使得引线与被焊面紧密接触，达到原子 间引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。引线键 合键合接点形状主要有楔形和球形，两键合接点形状可以 相同或不同。
·陶瓷和塑料BGA、SCP和MCP ·陶瓷和塑料封装QFP ·芯片尺寸封装 (CSP)
引线键合技术分类
常用引线键合方式有三种： ➢ 热压键合<TCB> ➢ 超声键合<USB> ➢ 热超声波（金丝球）键<TSB>
热压键合作用机理
利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子间 达到原子引力范围，实现键合。一端是球形，一 端是楔形 ，常用于Au丝键合。
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压头下降，焊球被锁定在端部中央
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