第二讲微系统封装技术-引线键合
微电子封装中的引线键和 论文
哈尔滨理工大学焊接课程设计一级封装中的引线键合设计班级：材型09-4学号：0902040408姓名：刘阳指导教师：赵智力1.设计任务书设计要求及有关数据：一级封装中需要将芯片上电路与外电路之间实现电气连接，芯片上预制的焊盘为Al金属化层，采用引线键合技术连接时，可选金丝或铝丝进行连接，本课程设计任务即是分别采用金丝和铝丝时的连接设计，引线丝直径为25微米。
1). 进行焊接性分析；2）根据被连接材料的特点，分别设计金丝和铝丝的烧球工艺，选择各自适合的焊接方法及焊接设备（介绍其工作原理），设计具体焊接工艺参数（氧化膜的去除机理、施加压力、钎、加热温度、连接时间）)的确定。
3）该结构材料间的连接特点、连接界面组织与连接机理及接头强度的简要分析；2.所焊零件（器件）结构分析、焊接性分析2.1 Al金属化层焊盘结构分析：说明：Chip：芯片（本题目为Al芯片）Gold wire：金丝Mold resin：填充树脂Lead：导线2.2焊接性分析2.2.1综述：Al及Al合金的焊接性：铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3熔点约为2050℃，MgO熔点约为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。
由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。
同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。
此外，铝及其合金的线膨胀系数大，焊接时容易产生翘曲变形。
这些都是焊接生产中颇感困难的问题。
2.2.2 铝合金焊接中的气孔氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因,已为实践所证明。
弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分都是焊缝气孔中氢的重要来源。
其中，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水份，对焊缝气孔的产生，常常占有突出的地位。
1)弧柱气氛中水分的影响弧柱空间总是或多或少存在一定数量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时，由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，可成为焊缝气孔的主要原因。
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(电子制造技术ppt)分解
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
4
两种键合形式比较
ห้องสมุดไป่ตู้
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
6
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
7
主要工艺参数介绍
❖ 超声功率与键合压力
❖ 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
8
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。
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
微系统封装技术-键合技术
航空航天领域
用于制造微型化航空电子设备、 卫星电路模块等。
通信领域
用于制造手机、路由器、交换 机等通信设备中的微型化电路 模块。
医疗领域
用于制造微型化医疗器械，如 植入式电子器件、医疗传感器 等。
智能制造领域
用于制造微型化工业传感器、 控制器等智能制造设备中的电 路模块。
02
键合技术的基本原理
键合技术的定义
键合技术的关键要素
键合材料的选择
总结词
选择合适的键合材料是实现高质量微系统封装的关键，需要考虑材料的物理性质、化学稳定性、热膨胀系数匹配 等因素。
详细描述
在微系统封装中，键合材料的选择至关重要。材料需要具备优良的导热性、导电性、耐腐蚀性和稳定的化学性质， 以确保键合的可靠性和长期稳定性。此外，材料的热膨胀系数也需要与基材相匹配，以减少因温度变化引起的应 力，防止键合层破裂或脱落。
超声键合技术
超声键合技术是一种利用超声波能量实现芯片 与基板连接的封装技术。
超声键合技术具有非热、非机械接触、快速和 低成本的优点，适用于各种不同类型的材料和 器件。
超声键合技术的关键在于超声波的传播和控制， 需要精确控制超声波的频率、振幅和作用时间 等参数，以确保键合的质量和可靠性。
热压键合技术
环境友好型封装技术
无铅封装
推广无铅封装技术，减少 对环境的重金属污染，满 足绿色环保要求。
可回收封装
研究开发可回收再利用的 封装材料和工艺，降低资 源消耗和环境污染。
节能封装
优化封装设计和工艺，降 低微系统封装的能耗，实 现节能减排的目标。
06
结论
微系统封装技术的重要性
提升电子设备性能
节能环保
键合质量的检测与控制
《引线封装》PPT课件
（1）超声焊
• 主要是利用超声波的能量使金属丝与A l电极在常 温下直接焊接的一种方法。又称楔-楔焊接。常用 的材料称为硅铝丝。
（2）热压焊
• 将底座加热到一定的高温，利用压力的“刀刃”在 引线上施加一定的压力并维持一定的时间使引线变 形，并破坏两种金属界面的氧化膜。在外加压力的 作用下实现引线和金属层的键合。
C、SSOP、SOT等
封装技术
封装技术（与PCB板的连接）
引线键合封装（wire-bonding）
Substrate Die
Pad
Lead Frame
3 先进封装技术
• （1）载带自动键合（TAB） • （2）倒扣芯片封装（FC） • （3）球栅阵列（BGA） •包括管芯与外引线间的互连和封装技术。 • 工艺: • 中测、划片、管芯引线键合、密封、管壳封焊、塑模。
• 芯片引线键合显微照片
3.9.1 键合工艺
• 1 .芯片固定到合适的集成电路的管座上 • 采用共晶焊或聚合物粘合 • 2.引线键合 • 采用细金属丝将集成电路芯片上的压焊点与管
（3） 金丝球焊
• 底座加热到300℃ 以上，金丝穿过陶瓷或红宝石 劈刀中毛细管，用氢气火焰将金丝端头烧成球形 后再用劈刀将金丝球压在金属电极上实现焊接。 也属于热压焊。适合于自动化，在集成电路生产 中使用较多。
3.9.2 封装
• 1 基本封装外型：DIP、SIP、QFP、PGA、LCC、PLC
感谢下 载
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。
引线键合中引线运动学构型数据获取实验
引线键合中引线运动学构型数据获取实验一 序言：1. 引线键合：引线键合技术是微电子封装中的一项重要技术之一。
由于上世纪90年代，器件封装尺寸的小型化，使得新型封装开始通过引线键合，载带自动键合，合金自动键合等键合技术来实现高密度高可靠性的封装。
1.1微电子封装的流程中引线键合的位置2.引线键合的过程是晶片上的焊垫(pad)作为第一焊点（the first bond）基板的内引脚（inter lead）作为第二焊点（the second bond）在外部能量（超声或者热能）作用下，通过引线（金线、铜线、铝线）把第一焊点第二焊点连接起来。
1.2 自动焊线机批量焊接 1.3 引线键合引线键合技术是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接中最通用最简单有效的一种方式，又因为引线键合生产成本低、精度高、互连焊点可靠性高，且产量大的优点使其占键合工艺的80%以上，在IC 制造业得到了广泛的应用，一直是国际上关注的热点。
对于引线键合中引线成型的引线及键合头的研究也备受关注。
以较为普遍的超声金丝键合为例介绍介绍引线成型的过程。
一个完整的引线键合过程包括两种不同的运动状态。
一种是自由运动，该阶段的任务是拉出键合弧线，键合头运动按照已经设定好的运动轨迹。
此状态执行工具尖端与芯片失去接触，不产生力的反馈信号。
另一种约束运动，当执行工具尖端与芯片接触时，在超声和高温的作用下，稳定的键合力保证了金线被充分的焊接在芯片和引脚上，力传感器产生力反馈信号，这个阶段的任务是实现结合力的整定控制。
•1.线夹关闭，电子打火形成金球，引线夹将金线上提金属熔球在劈刀顶端的圆锥孔内定位•2.线夹打开键合头等速下降到第一键合点搜索高度（1st bond searchheight)位置•3.劈刀在金属熔球（最高180℃）上施加一定的键合力同时超声波发生系统（USG)作用振动幅度经变幅杆放大后作用在劈刀顶端完成第一键合点•6.劈刀下降接触引线框架焊盘调用第二键合点参数在热量和超声键合的能量下完成锲键合•5.键合头运动到第二键合点位置，形成弧线•4.键合头上升运动到“top of loop”位置然后进行短线检测，判断第一焊点是否成功•7.松开线夹键合头上升到“tail heightposition”形成预留尾丝长度•8.线夹关闭，键合头上升将金线从第二键合点尾端压痕处拉断。
浅析引线键合
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。
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键合技术的发展： 1.键合间距进一步减小，到40微米 2.键合弧度低于150微米 3.高可靠的Cu键合 4.快速的键合周期和低温（<170ºC）键合技术 5.高精度的摄像和位置反馈系统和伺服系统 6.多旋转头的键合设备。
柯肯达尔效应（kirkendall effect）是 指两种扩散速率不同的金属在扩散 过程中会形成缺陷 。
柯肯达尔空洞，裂缝。
紫斑：主要是指引线键合中Au-Al焊接界面上所产生的Au-Al 化合物，其成分为AuAl2，它的存在会严重影响到引线键合的 质量和可靠性 ， 300ºC，紫色金属间化合物AuAl2 白斑：Au2Al
返工容易，高纯净低放气性
温度膨胀系数高，
环氧树脂类[Epoxies]
采用加热和机械方法容易进 - 腐蚀性浸析性和放气 行返工，添加60-70% 导电 性，与粘结剂固化温度有关 或导热微粉，工艺简单， 低放气性•
氢基-丙稀酸树脂类 [Cyanocrylates]
501/502胶固化速快 </=[10sec]，连接强度非常 高。
4）导电性、导热性好：单晶铜丝的导电率、导热率比金丝 提高20%，因此在和金丝径相同的条件下可以承载更大的电流， 键合金丝直径小于0.018mm时，其阻抗或电阻特性很难满足封 装要求。
5）低成本：单晶铜键合线成本只有键合金丝的1/3-1/10， 可节约键合封装材料成本90%；比重是键合金丝的1/2，1吨单晶 铜丝可替代2吨金丝； 当今半导体行业的一些显著变化直接影 响到了IC互连技术，其中成本因素也是推动互连技术发展的主 要因素。目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，其 封装成本超过0.2美元。而采用单晶铜丝键合不但能降低器件制 造成本，提高竞争优势。对于1密耳（0.001英寸）焊线，成本 最高可降低75%，2密耳可达90%。
键合强度（破坏性键合拉力试验）
试验条件
引 线 成 分 结构 和直径
A
Al 18μ m 引线
Au 18μ m
A
Al 25μ m 引线
Au 25μ m
A
Al 32μ m 引线
Au 32μ m
A
Al 33μ m 引线
Au 33μ m
A
Al 38μ m 引线
Au 38μ m
A
Al 50μ m 引线
Au 50μ m
1）单晶粒：相对目前的普通铜材（多晶粒），而单晶铜 丝只有一个晶粒，内部无晶界。而单晶铜杆有致密的定向凝 固组织，消除了横向晶界，很少有缩孔、气孔等铸造缺陷； 且结晶方向拉丝方向相同，能承受更大的塑性变形能力。此 外，单晶铜丝没有阻碍位错滑移的晶界，变形、冷作、硬化 回复快，所以是拉制键合引线（¢0.03-0.016mm）的理想材料。
- 在潮湿或温度上 升 150℃]，连接强度降低。
Epotek公司胶
在众多种类胶中，最为普遍使用的是环氧树脂类，其剂型 可分为单组分和双组分两种，环氧树脂类粘结剂的优点有；
· 较低的固化温度，单组分固化温度约在150℃以下， 不会造成对芯片的电性能和可靠性损坏。
· 双组分粘结剂的印后待置时间可达8-24小时。 · 发现芯片故障，加热到环氧树脂粘结剂的软化温度， 即可方便更换。
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
聚酰亚胺类 [Polyimides]
温度稳定性非常高，温度稳 固化温度高，需溶剂作为载
定性非常高
体。中-低连接强度
- 有机硅树脂类 [Silicons]
焊料熔点 焊接温度 焊接时间 摩擦功能
(℃)
(℃)
（min）
保护气
363
380-450
<1
需要
N2/N2+H2
引线键合
引线键合是利用金属细丝将芯片的I/O端和与其相对应的封 装引脚和基板上布线焊区互连的一个固相焊接过程。
金属丝材料：Au线、Al线、Cu线； 金属丝直径：数十微米至数百微米； 焊接方式： 按焊接能量分：热压焊、超声焊和热声焊三种。 超声波：60～120kHz 热压焊的键合温度：280～380ºC，键合时间：1s 超声焊的键合时间：25ms，超声波振动频率：60～120kHz 键合温度：70～80ºC 热声焊150～200ºC，键合时间：5~20ms 按键合工具的形状分：球形键合和楔形键合。
2）高纯度：目前，在我国的单晶铜丝（原材料）可以做 到99.999%（5N）或99.9999%（6N）的纯度;
3）机械性能好：与同纯度的金丝相比具有良好的拉伸、剪切 强度和延展性。单晶铜丝因其优异的机械电气性能和加工性能， 可满足封装新技术工艺，将其加工至¢0.03-0.015mm的单晶铜超 细丝代替金丝，从而使引线键合的间距更小、更稳定。
0.12
0.08
0.15
0.12
0.05×键合数
非破坏性键合拉力试验
引线直径(μ m) 钩子直径(引线直径的倍数)
d≤50.8
Hale Waihona Puke 最少2.0倍50.8<d≤127 最少1.5倍
d>127
最少1.0倍，
铝和金引线直 径（μ m）
18 25 32 33 38 50 76
拉力（gf）
铝
金
1.2
1.6
2.0
2.4
· 连接点的机械强度高，能承受各种冲击，震动等环 境条件。
· 涂布工艺简便，可采用印刷工艺，滴涂工艺。 · 环氧粘结芯片合格率高达100%。
Au-Sn 共晶贴片工艺
焊料熔点 （℃）
280
焊接温度 （℃）
290-310
焊接时间 （min）
<1
摩擦功能 需要
保护气 N2/N2+H2
Au-Si 共晶贴片工艺
A
Al 76μ m 引线
Au 76μ m
B
各种规格
倒装片
最小键合强度N
密封前
密封后
0.015 0.02
0.010 0.015
0.025 0.03
0.015 0.025
0.03
0.02
0.04
0.03
0.03
0.02
0.04
0.03
0.04
0.025
0.05
0.04
0.054 0.075
0.04 0.054
2.5
3.2
2.5
3.2
3.0
4.0
4.5
6.0
9.5
12.0
劈刀材料： 氧化铝和 碳化钨粉 末烧结工 艺制成
铝丝：室温下高可靠的单金属键合，但不耐腐蚀， 不能形成一致的无气孔的球。只适合楔形键合。 金丝：耐腐蚀，但成本高和键合温度达200ºC，适合 球形和楔形键合。
铜引线键合
单晶铜键合线代替键合金丝的优势及特点：
第二讲：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；
名称
优点
使用
酚酰树脂类[Phenolics]
聚胺脂类 [Polyurethanes - 聚酰胺树脂类 [Polyamides]
150μm
引线键合材料的机械性能：断裂强度和延伸率
为了改善键合丝的性能如减小硬度，提高延展性并净化表面，需作退火处理。 退火处理：Au丝在高纯N2或真空中退火，温度500ºC，Al丝在H2中退火，温度400ºC 恒温15～20min 然后自然冷却。
可靠性问题：
引线弯曲疲劳、键合点剪切疲劳、 柯肯达尔效应、腐蚀、振动疲劳、 焊盘开裂等。