引线键合工艺介绍及质量检验

１引言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］。

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、圆片粘贴、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。

本文将对引线键合工艺展开研究，分析影响键合质量的关键参数，以使引线键合满足封装工艺高质量、高可靠性的要求。

２引线键合工艺２．１简介引线键合工艺分为３种：热压键合（Ｔｈｅｒｍｏ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ），超声波键合（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＢｏｎｄｉｎｇ）引线键合工艺介绍及质量检验吕磊（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊１０１６０１）摘要：介绍了引线键合工艺流程、键合材料及键合工具，讨论分析了影响引线键合可靠性的主要工艺参数，说明了引线键合质量的评价方法，并提出了增强引线键合可靠性的措施。

关键词：引线键合；球形键合；楔形键合；毛细管劈刀；楔形劈刀；键合拉力测试；键合剪切力测试中图分类号：ＴＮ３０７文献标识码：Ａ文章编号：１００４－４５０７（２００８）０３－００５３－０８ＴｈｅＰｒｏｃｅｓｓＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＱｕａｌｉｔｙＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆＷｉｒｅＢｏｎｄｉｎｇＬＶＬｅｉ（Ｔｈｅ４５ｔｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，ＢｅｉｊｉｎｇＥａｓｔＹａｎｊｉａｏ１０１６０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓ、ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｏｏｌｓｏｆｗｉｒｅｂｏｎｄｉｎｇ，ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｑｕａｌｉｔｙｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｉｒｅｂｏｎｄｉｎｇ；Ｂａｌｌｂｏｎｄｉｎｇ；Ｗｅｄｇｅｂｏｎｄｉｎｇ；Ｃａｐｉｌｌａｒｙ；Ｗｅｄｇｅ；ＢｏｎｄＰｕｌｌＴｅｓｔ收稿日期：２００８－００－００与热压超声波键合（Ｔｈｅｒｍｏ－ｓｏｎｉｃＢｏｎｄｉｎｇ）［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。

２．２基本形式引线键合有两种基本形式：球形键合与楔形键合［５］。

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）。

两种键合形式的不同之处在于：球形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，而楔形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。

２．２．１球形键合球形键合时将金属线穿过键合机毛细管劈刀（ｃａｐｉｌｌａｒｙ），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线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（ＦｒｅｅＡｉｒＢａｌｌ，ＦＡＢ），球直径一般是线径的２～３倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的时间内将金属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，并完成第一焊点，然后劈刀运动到第二点位置，第二点焊接包括楔形键合、扯线和送线，通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔形键合方式完成第二焊点，之后扯线使金属线断裂，劈刀升高到合适的高度送线达到要求尾线长度，然后劈刀上升到成球的高度。

成球的过程是通过离子化空气间隙的打火成球（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＦｌａｍｅ－ｏｆｆ，ＥＦＯ）过程实现的。

球形键合是一种全方位的工艺（即第二焊点可相对第一焊点３６０°任意角度）球形键合一般采用直径７５μｍ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１００μｍ的情况下。

球形键合工艺设计原则：（１）焊球的初始直径为金属线直径的２～３倍。

应用于精细间距时为１．５倍，焊盘较大时为３～４倍；（２）最终成球尺寸不超过焊盘尺寸的３／４，是金属线直径的２．５～５倍；（３）线弧高度一般为１５０μｍ，取决于金属线直径及具体应用；（４）线弧长度不应超过金属线直径的１００倍；（５）线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。

２．２．２楔形键合楔形键合是用楔形劈刀（ｗｅｄｇｅ）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５０μｍ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，其工艺流程如图１所示。

楔形键合工艺设计原则：（１）即使键合点只比金属线直径大２～３μｍ也可能获得高强度连接；（２）焊盘长度要大于键合点的尾丝长度；（３）焊盘的长轴与引线键合路径一致；（４）焊盘间距的设计应保持金属线之间距离的一致性；（５）线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。

２．３键合工具键合工具的作用是将纵向振动转化为横向振动，通过与引线的接触传递超声能，并在静态压力、温度的配合下，实现引线和焊盘的键合。

按形状和适用工艺的不同分为毛细管劈刀（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）和楔形劈刀（ｗｅｄｇｅ）两种（如图２）。

毛细管劈刀其材料可以是陶瓷、钨或红宝石。

最常用材料是具有精细尺寸晶粒的氧化铝陶瓷，因为其有很好的抗腐蚀性、抗氧化性和易于清洁的特点。

楔形劈刀其材料取决于所采用的金属线，铝线键合时，通常采用碳化钨或陶瓷材料；金线键合时，采用碳化钛材料［６］。

键合工具的影响因素有：（１）键合工具的几何参数直接影响着焊点的形状及键合质量，对于同直径、同材质的金属丝，不同的焊盘形状、大小及焊盘的间距直接影响着键合工具的选择。

（ａ）以毛细管劈刀（如图３）为例，图中，①为内孔（ＨｏｌｅＳｉｚｅ，Ｈ），其直径由引线直径决定，引线直径由焊盘的直径决定。

内孔的直径越小，线弧越接近理想形状，如果内孔直径过小则会增大引线与劈刀间的摩擦导致线弧形状的不稳定；②为壁厚，影响超声波的传导，过薄的壁厚会对振幅产生影响；③为端面角（ＦａｃｅＡｎｇｌｅ，ＦＡ）和外半径（ＯｕｔｅｒＲａｄｉｕｓ，ＯＲ）（如图４），影响第二焊点的形状、键合强度以及线弧形状；④为斜面（Ｃｈａｍｆｅｒ）和斜面角（ＣｈａｍｆｅｒＡｎｇｌｅ，ＣＡ）（如图５），影响第一焊点的形状、键合强度以及线弧形状［７］。

ｂ．在楔形键合中，引线直径决定楔形劈刀斜孔９１２３４５６７８ＴｅｉｌＦｅｅｄ１ｓｔＳｅａｒｃｈ１ｓｔＢｏｎｄＬｏｏｐＡｏｔｏ－Ｓｔｅｐｐａｃｋ２ｎｄＳｅａｒｃｈ２ｎｄＲｅｖｅｒｓｅ２ｎｄＢｏｎｄ＆Ｔｅａｒ图１楔形键合工艺流程图２键合工具图３毛细管劈刀剖视图４１２３④①②③直径，焊点形状主要由楔形劈刀的前端尺寸决定。

焊点沿长轴方向有长椭圆形、圆形和窄椭圆形，还有单点双点之分，主要取决于楔焊劈刀外形（如图６）。

（２）键合工具的安装。

劈刀安装的高度影响劈刀尖部超声波的谐振，进而影响键合质量。

应用适当的力矩来固定键合工具，过大会使换能器的末端变形，过小则造成键合点的位置偏移及超声能的传递效率降低。

２．４键合材料大部分使用在球形键合上的引线是９９．９９％纯度的金线，这个通常指４Ｎ金线。

为了满足一些特殊的应用要求，例如高强度，有时候也使用合金线（９９．９％或者更低的纯度）。

研究表明某一些掺杂物（金线里的其他物质）能降低金和铝的界面层扩散成长的速度。

为了提高封装系统得可靠性，有时候考虑使用３Ｎ和２Ｎ金线。

金线主要分为两种：掺杂金线和合金化金线。

掺杂金线比４Ｎ金线具有更好的机械性能；合金化金线具有更好的强度，但是会损失一定的电性能。

需要特别考虑的是焊线工艺的热影响区域（Ｈｅａｔ－ＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ，ＨＡＺ）的长度，这个和打火成球（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＦｌａｍｅ－ｏｆｆ，ＥＦＯ）时产生的热量导致的金属再结晶过程有关。

这个ＨＡＺ通常会使线变得脆弱。