Wire Bonding工艺介绍和Gold Wire特性
Wire_bonding铝丝超声焊技术科普知识
Wire bonding铝丝超声焊技术科普知识一、什么是Wire bonding铝丝超声焊技术？铝丝超声焊是其实是使用铝作为金属丝的一种wire bonding技术。
而Wire bonding是一种初级内部互连方法，用作连到实际的裸片表面或器件逻辑电路的最初一级的内部互连方式，这种连接方式把逻辑信号或芯片的电讯号与外界连起来。
Wire bonding有两种形式：球焊和楔焊。
金丝球焊是最常用的方法，在这种制程中，一个熔化的金球黏在一段在线，压下后作为第一个焊点，然后从第一个焊点抽出弯曲的线再以新月形状将线(第二个楔形焊点)连上，然后又形成另一个新球用于下一个的第一个球焊点。
金丝球焊被归为热声制程，也就是说焊点是在热(一般为150)、超声波、压力以及时间的综合作用下形成的。
第二种压焊方法是楔形制程，这种制程主要使用铝线，但也可用金线，通常都在室温下进行。
楔焊将两个楔形焊点压下形成连接，在这种制程中没有球形成。
铝线焊接制程被归为超声波线焊，形成焊点只用到超声波能、压力以及时间等参数。
不同制程类型的采用取决于具体的应用场合。
比如金线压焊用于大批量生产的场合，因为这种制程速度较快。
铝线压焊则用于封装或PCB不能加热的场合。
另外，楔形压焊制程比金线压焊具有更精细的间距。
目前，金线压焊的间距极限为60μm；采用细铝线楔形压焊可以达到小于60μm的间距。
在此技术中所用金属线，即Bonding Wire是半导体器件和集成电路组装时，为使芯片内电路的输入/输出连接点与引线框架的内接触点之间实现电气连接的内引线。
Bonding Wire作为连接内引线，应具有电导率高，导电能力强，与导体材料的结合力强，化学性能稳定等性能优点。
Bonding Wire的直径，通常在25到75μm之间。
市场上主要有四种材料用作Bonding Wire，分别为金、银、铜和铝。
二、 Wire Bonding技术在电动汽车动力电池领域的应用Wire bonding自从1970年起一直广泛应用于微电子和电力电子领域。
Bonding 技术介绍解析
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3.2.2 平焊使用楔形头 楔形头一般用陶瓷，钨碳 金属线 目前，最常用的是金线( Au ,Cu)和铝线( Al , 1%Si/Mg)。 最常用的金属线的直径为： 25 – 30 μm 3.3.1 金线压焊用于大批量生产的场合，这种工艺速度较快，但目 前金线压焊的间距极限为 75μm，金线压焊需要光滑、洁净的焊 接表面。表面的干净程度会影响焊接的可靠性。 金线主要用在球焊和平焊工艺中。 由于金线在热压下更容易变形，在电弧放电下更容易成球形， 故在球焊中广泛使用。 同时，由于完成压焊之后，金的特性较稳定，特别适合密封 包装中，故在微波器件中，金线的平焊用处最广。 3.3.2 铝线压焊则用于封装或PCB不能加热的场合。有更精细的间 距。采用细铝线压焊可以达到小于60μm（50 μm）的间距。 铝线主要用于平焊工艺。费用较低。
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Wedge Bonding 焊点示意图
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2.3.2 两者所用压焊头 2.3.2.1 球焊选用毛细管头；焊点是在热(一般为100-500℃)、超声 波、压力以及时间的综合作用下形成的。 2.3.2.2 平焊选用楔形头；焊点是在超声波能、压力以及时间等参 数综合作用下形成的。 一般在室温下进行。 球焊用毛细管头示意图
Wire Bonding 的方式有两种：
Ball Bonding(球焊)和 Wedge Bonding (平焊/楔焊)
2.1 Ball Bonding ( 球焊）
金线通过空心夹具的毛细管穿出，然后经过电弧放电使伸出 部分熔化，并在表面张力作用下成球形，然后通过夹具将球压焊 到芯片的电极上，压下后作为第一个焊点，为球焊点，然后从第 一个焊点抽出弯曲的金线再压焊到相应的位置上，形成第二个焊 点，为平焊（楔形）焊点，然后又形成另一个新球用作于下一个 的第一个球焊点。
wire bonding 介绍
DEFECT
封裝簡介
晶片Die
金線 Gold Wire 導線架
Lead fram
封裝流程
Wafer Grinding
ห้องสมุดไป่ตู้
Wafer Saw
Die Bonding
toaster
Wire Bonding
Die Surface Coating
Molding
Laser Mark
BGA
Solder Ball Placement
Eagle
MACHINE SPECIFICATIONS (II) •Vision System •Pattern Recognition Time 70 ms / point •Pattern Recognition Accuracy + 0.37 um •Lead Locator Detection 12 ms / lead (3 leads/frame) •Lead Locator Accuracy + 2.4 um •Post Bond Inspection First Bond, Second Bond Wire Tracing •Max. Die Level Different 400 – 500 um
lead
Capillary rises to loop height position
pad
lead
Capillary rises to loop height position
pad
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Capillary rises to loop height position
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Capillary rises to loop height position
Wire-Bonding工艺以及基本知识 PPT
Capillary的選用：
Hole径（Ｈ）
Hole径是由规定的Wire径ＷＤ（Wire Diameter)
来決定
H
H=1.2~1.5WD
WD
Capillary主要的尺寸：
H：Hole Diameter (Hole径) T：Tip Diameter B：Chamfer Diameter(orCD) IC：Inside Chamfer IC ANGLE：Inside Chamfer Angle FA：Face Angle (Face角) OR：Outside Radius
Die 第一焊点搜索速度1st Search Speed 1
3. 第一焊點接触階段
最初的球形影响参数: 接觸压力和预备功率 Impact Force and Standby Power
1/16 inch 總長L
Capillary尺寸對焊線品質的影響：
1. Chamfer径（ＣＤ） Chamfer径过于大的话、Bonding強度越弱，易造成虛焊.
CD
CD
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
2. Chamfer角（ICA ） Chamfer角：小→Ball Size：小 Chamfer角：大→Ball Size：大
1．Wire Bonding原理
IC封裝中電路連接的三種方式： a. 倒裝焊（Flip chip bonding) b. 載帶自動焊（TAB---tape automated bonding) c. 引線鍵合（wire bonding)
Wire Bonding------引線鍵合技術
Wire Bonding的作用
Wire Bonding的四要素： ➢ Time(時間） ➢ Power(功率） ➢ Force(壓力） ➢ Temperature（溫度）
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。
Bonding 技术介绍
9 压焊技术的应用：
3.2.1 球焊使用毛细管头 毛细管头一般用陶瓷或钨制成。
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3.2.2 平焊使用楔形头 楔形头一般用陶瓷，钨碳合金或钛碳合金制成。
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3.3 金属线 目前，最常用的是金线( Au ,Cu)和铝线( Al , 1%Si/Mg)。 最常用的金属线的直径为： 25 – 30 μm
3.3.1 金线压焊用于大批量生产的场合，这种工艺速度较快，但目 前金线压焊的间距极限为 75μm，金线压焊需要光滑、洁净的焊 接表面。表面的干净程度会影响焊接的可靠性。 金线主要用在球焊和平焊工艺中。 由于金线在热压下更容易变形，在电弧放电下更容易成球形， 故在球焊中广泛使用。 同时，由于完成压焊之后，金的特性较稳定，特别适合密封 包装中，故在微波器件中，金线的平焊用处最广。
3.3.2 铝线压焊则用于封装或PCB不能加热的场合。有更精细的间 距。采用细铝线压焊可以达到小于60μm（50 μm）的间距。 铝线主要用于平焊工艺。费用较低。
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4 压焊的工序控制：
有效的对压焊进行工序控制，必须从以下几方面着手：
4.1 压焊机的设置
超声波能量 压力
时间
温度
金属线的弯曲形状
高度及焊接工艺
Bonding 技术介绍
1 Wire Bonding 是什么？
Wire Bonding (压焊，也称为帮定，键合，丝焊) 是指使用金属 丝（金线等），利用热压或超声能源，完成微电子器件中固态电 路内部互连接线的连接，即芯片与电路或引线框架之间的连接。
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压焊放大图
3
2 Wire Bonding 的方式：
Wire Bonding 的方式有两种：
Ball Bonding(球焊)和 Wedge Bonding (平焊/楔焊)
wire_bonding__介绍
Ultra
Sonic
Vibration
pad
heat
lead
Formation of a first bond Base
PRESSURE
Ultra Sonic Vibration
pad
heat
lead
Capillary rises to loop height position
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WIRE BOND PROCESS INTRODUCTION
CONTENTS
ASSEMBLY FLOW OF PLASTIC IC Wire Bond 原理 M/C Introduction Wire Bond Process Material SPEC Calculator DEFECT
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TRAJECTORY
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TRAJECTORY
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TRAJECTORY
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TRAJECTORY
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TRAJECTORY
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2nd Search Height
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Search Speed 2 Search Tol 2
leadpຫໍສະໝຸດ dleadCapillary rises to loop height position
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Capillary rises to loop height position
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lead
Capillary rises to loop height position
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lead
Wire Bond 工艺培训
1. Wire与DIE之间不能接触。 测量标准：大于两倍线径。 2. Wire与Lend之间不能接触。 测量标准：大于两倍线径。 3. Wire与Wire之间不能相交。 测量标准：大于两倍线径。 4. Wire与Gnd之间不能接触 （主要运用与QFN产品）
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压焊线弧类型
➢ 普通弧
基础概念
压焊是做什么的？
压焊就是用金、铜等导线将粘在框架上的芯 片与框架管脚连通，即芯片可通过管脚与外部 电路形成通路，来发挥其功能。
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基础概念
焊线原理：
在高温、超声波振动、压力等因素下，使金 与铝、金与银这两种相互接触的金属发生软化 变形，同时两种金属间发生原子扩散，形成金 属化合物，即合金，达到焊接效果。
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劈刀
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劈刀
劈刀分为普通劈刀（左）和柱状劈刀（右） 劈刀的材料分为陶瓷、人造宝石等
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劈刀
柱状劈刀（密间距劈刀）
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案例分析
Capillaries头部沾污引起的Ball Size 球形不良
Wire Bond加工过程中劈刀打到异物， Power未将异常清理掉，导致残留 在劈刀头部。
导致Ball size 出现球形不良球变形 现象。
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压焊的异常案例
Ball Size 功率圈比对：
Ball Size完整无异常
Ball Size不完整有异常
球形功率圈良好无异常 Wire Pell后无Peelling现象 Wire Pell后无脱球现象 Ball Size两边距离Pad 6um Ball Size Z距离在范围内
球形异常/无功率圈 Wire Pell后出现Peelling现象 Wire Pell后有脱球现象 Ball Size两边距离Pad 6um Ball Size Z距离超过范围
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金线焊接工具---劈刀
3、Wire Diameter
H—Hole Diameter Hole diameter is usually 1.5X wire diameter
4、Looping
CA--Chamfer Angle, BTNK—Bottleneck Height&Angle
5、2 nd bond quality
金线特性和选择
金线特性对封装工艺的影响
FAB hardness soft
Ball diameter (Stability)
Neck strength low
Pull lower strength
hard
Smaller (better) higher bigger
High
higher
Shear strength
Breaking Load low
Wire sweep
Second bondability
HAZ length short
Loop height
Loop height Stability in Low loop
high
lower worse
long
higher worse
bigger better
lower better
金线特性和选择
金线的几个特征参数： 1、breaking load
金线特性和选择
金线的几个特征参数： 2、neck strength 3、HAZ(heat affect zone)length
金线特性和选择
4、FAB(free air ball)hardness 5、current load rating;
Wire Bonding工艺介绍和Gold Wire特性及选择
第一部分：Wire bonding工艺介绍 1、Wire bonding的几种形式 金线球形焊接； 铝线楔形焊接； 金线条带焊接； 铜连接；
金线球形焊接工艺介绍
金线球形焊接工艺是利用超声将芯片和导线 框架/基板用金线加以连接的工艺。 它的工艺条件： A、焊接材料 Gold Wire B、焊接表面 Die----Al Leadframe/substrate----Ag/Au
其他焊接工艺介绍
1、铝线楔形焊接工艺 用于2mil及4~20mil铝线焊接； 2、金线条带焊接工艺 更好的电性能； 3、铜连接 更好的机械和热性能，低消耗；
金线焊接工具---劈刀
劈刀的结构（参数）：
FA OR H CD T -----Face Angle Outer radius Hole Diameter Chamfer Diameter Tip Diameter
T– Tip Diameter, FA—Face Angle, OR– Outer Radius
金线特性和选择
金线材质： 金线基材为4N（99。99%）黄金，经提纯 为5N（99。999%）黄金。 金线有两种： Doping和Alloy. Doping金线比5N Au有更好的机械性能。 Alloyed金线有更好的强度，但会损失一定 的电性能。
Damage to bond pad
Bigger (worse) lower smaller
ICA -Inner Chamfer Angle OD -Outer diameter CA -Cone Angle L -Length BTNKH -- Bottleneck Height BTNKA -- Bottleneck Height
金线焊接工具---劈刀
劈刀决定的一些参数： 1、Bond Pad Pitch 、
Go up to chamfer, affect touch die surface Not move Form loop shape Squashed and form 2nd bond Not move Go up with capillary Form ball when 6000v on it Not affect Not affect affect Not affect Not affect Not affect
金线特性和选择
金线特性和选择
6、resistivity (Ohm mm2/m)
金线特性和选择
选择金线的方法： Loop height Loop length Wire sweep Electrical performance Mechanical performance
金线特性和选择
金线特性对封装工艺的影响
金线球形焊接工艺介绍
影响焊接质量的因素： 1、材料 金线成分不同，要求的工艺参数也不同； 芯片加工工艺对焊接质量有直接影响； Leadframe/substratede材料和镀层； 2、机器的设置 capillary的安装； heatblock的安装和调整；
金线球形焊接工艺介绍
参数设置（power,force,time); 3、污染 材料本身的污染； 操作不当引起的污染；
金线球形焊接工艺介绍
Stage1
Stage2
Stage3
Stage4
Stage5
Stage6
Stage7
Stage8
金线球形焊接工艺介绍
金线球形焊接工艺介绍
焊接质量的检测： 1、wire pull strength 2、ball shear strength 3、wire peel 4、crater test(etching)
金线球形焊接工艺介绍
C、焊接温度 180℃~250℃ D、焊接能量 超声震动 它的工艺过程可以粗略分为四步： FAB→1st bond→looping→2nd 球形焊接工艺介绍
金线球形焊接工艺介绍
stage 1、FAB 2、1st bond form 3、capillary rise 4、looping 5、2nd bond form 6、tail length create 7、 disconnect 8、new FAB capillary stopped Go down to die surface, Go up to loop height Move from loop height point to 2nd bond Press the wire to lead Go up to a desired height Go up stopped Wire clamp close open open close close open close close wire Form ball when 6000v on it Ultrasonic and force Not affect
金线焊接工具---劈刀
T--Tip Diameter, BTNK—Bottleneck Height&Angle, CA—Cone Angle Will affect bond pad pitch.
2、1st Bond Diameter 、
H—Hole Diameter, ICA—Inner Chamfer Angle CD—Chamfer Diameter Will affect 1st bond diameter