混合集成电路的外引线键合技术
混合集成电路金丝热超声球焊工艺及应用发展
有 因焊丝 较长所 引起 的电 阻和寄生 电容与 寄生 电感 相对较 大 、芯 片的测试 与 老化困难 和组装 效率低 等 不 足 ，但 是 由于工艺技 术成 熟 、操 作简单 、应用 灵 活 、兼容 性好 、可靠性 高 、易检查 与返工 、投资 少 和见效快 ，仍然是Ｈ Ｃ Ｉ 和ＭＣ 特别是专用产品制造 中 Ｍ
ｄ ｖ ｅ ｈ ｅｄ ｆ ｏ ｒ ｕ ｐ ｎ ｅｉ ｓ Ｏ ｈ ａｉ ｏ ｒ ｆｎｒｄ ｃｉｎｏ ｅｗｉ ｏ ｄ ｇｔｃ ｎ ｌ ｙｍａ ｌｓｕ ｙ ｅｉ ｓｉ ｔｅｆ ｌｏ ｗｅ ｐ ｌ ａ ｄｄｖ ｅ 。 ｎｔｅｂｓ ｆ ｂｉ ｔｏ ｕｔ ｆ ｈ ｒ ｂ ｎｉ ｈ ｏｏ ， ｉｙ ｔｄ ｃ ｎ ｉ ｐ ｓ ｙ ｃ ｓ ａ ｅｉ ｏ ｔ ｅ ｎ ｅ ｇ ｎ
ｕｅ Ｉ ａ ｄＭＣ ａ ｄ ｒｓｎ ｏ ｅａ ｐ ｃｔ ｎｄｖｌｐ ｎ ｔｔｓｏ ｅｔｃ ｎｌｇ． ｓｄｉ ＨＣ ｎ Ｍ， ｎ ｅｅ ｔ ｍ ｐｌ ａｉ ｅｅｏｍｅ ｔ ａｕ ｆ ｈ ｈ ｏ ｙ ｎ ｐ ｓ ｉ ｏ ｓ ｔ ｅ ｏ
Ｋ ｙ ｗｏ ｄ ： ｒ ｏ ｄｎ ； ｏ ｒ ｅ ｍ ｓ ｎｃ ａ ｏ ｄ ｇ Ｈ ｂ ｉ ｉ ｅ ｒｔ ｄ ｉ ｕ ｅ ｒ ｓ Ｗｉ ｂ ｎ ｉ Ｇ ｌ ｗｉ ｔ ｒ ｏ ｏ ｉ ｂ ｌｂ ｎ ｉ ； ｙ ｒ ｔｇ ａｅ ｒ ｉ ｅ ｇ ｄ ｅｈ ｌ ｎ ｄｎ ｃｃ ｔ
电子 Ｔ艺 ｌｑ ｌ ｔ ｉｓ ｏ ｅｓ ｅ ｈ ｏｏｙ ｅ ｏ Ｐ Ｔ
２１年１月 第３卷第６ ００ １ １ 期
混合集成电路金丝热超声球焊 工艺及应 用发展
王洋
（ 连云港杰瑞 电子有 限公司 ，江苏 连云港 ２２０ ２ ０ ６）
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
金丝球键合工艺技术的原理及应用分析
技术与检测Һ㊀金丝球键合工艺技术的原理及应用分析孙红怡摘㊀要:微波混合集成电路在电子工业中具有重要的应用ꎬ其中金丝球键合工艺技术是制造微波混合集成电路的关键技术之一ꎬ文章详细对微波混合集成电路中的金丝球键合工艺技术进行了分析ꎬ包括金丝球键合工艺技术的原理及相关应用情况ꎮ关键词:金丝球ꎻ键合工艺ꎻ技术原理ꎻ应用㊀㊀微波混合集成电路的应用较为广泛ꎬ同时ꎬ所涉及的技术水平也较高ꎬ在微波混合集成电路的生产制造过程中ꎬ金丝球键合工艺技术发挥着关键作用ꎮ目前在微波混合集成电路中的芯片制造中ꎬ所采用的工艺技术包括热压焊㊁金丝球键合㊁载带焊等ꎬ其中金丝球键合工艺是主要的键合工艺之一ꎬ在规模较大的微波混合集成电路中具有很重要的价值ꎮ如果微波混合集成电路对于运行的可靠性要求较高ꎬ在这种场合中ꎬ采用金丝球焊工艺更具备必要性ꎬ可以提高微波混合集成电路的产品质量ꎮ同时ꎬ目前的器件生产制造水平和设计技术都得到了明显的进步ꎬ微波混合集成电路的制造对金丝球焊工艺也提出了更高的要求ꎬ提高微波混合集成电路中的金丝球焊工艺技术水平ꎬ对于促进微波混合集成电路的技术发展具有重要的意义ꎬ文章对金丝球键合工艺技术原理及应用进行了分析ꎮ一㊁集成电路金丝球键合工艺技术对于集成电路金丝球键合工艺技术ꎬ对于集成电路内引线连接结构ꎬ可采用弧形键合丝结构改变了传统弧形理念ꎬ通过弧形参数设置ꎬ使键合丝高低交错分布ꎬ这种键合丝弧形设置的主要参数包括第一个转折位置㊁第一个转折角度㊁第二个转折位置㊁第二个转折角度ꎮ使用这种弧形ꎬ可提高高密度㊁超细间距㊁多层芯片ＰＡＤ对多排键合指键合工艺的可靠性ꎬ在元器件满足机械试验考核标准前提下ꎬ键合丝摆动时无碰丝短路情况ꎬ提高产品抗振动㊁抗冲击能力ꎮ二㊁金丝球键合工艺技术的原理随着集成电路技术的进步ꎬ对混合电路的集成度要求愈来愈高ꎮ任何从事芯片表面液态涂覆点胶封装的生产技术人员都认识到ꎬ必须密切注意此类器件的液态底部填充过程ꎮ液态胶涂覆封装ꎬ液态ＥＭＣ从上方注入键合线四周ꎬ受到重力及表面张力的影响胶体会包围在键合线的周围ꎬ然后通过高温或紫外线照射等方法使胶体固化ꎮ因为是靠重力和张力自然成型的ꎬ胶体顶端位置其表面距离键合线很近ꎬ在此位置ꎬ胶体对键合线的保护较为薄弱ꎬ如果有外部物体在键合线顶端位置跟封装体摩擦ꎬ就很容易损伤键合线甚至磨断键合线ꎮ常规双线键合工艺ꎬ两条高度相同的线并排键合ꎬ因为两条线高度相同ꎬ在最高点ꎬ胶体对它们的保护强度跟单线键合方式几乎是相同的ꎮ如果因外部物体摩擦而发生断线ꎬ那么两条线会同时被磨断ꎮ同时ꎬ对于微波混合集成电路内引线连接结构ꎬ其特征在于包括芯片㊁键合丝㊁键合指ꎻ芯片通过键合丝与键合指相连ꎬ使在集成电路内芯片和外部器件之间的数据传输畅通的键合丝分为高弧形键合丝和低弧形键合丝ꎬ高弧形键合丝和低弧形键合丝交替排布在芯片与键合指之间ꎻ在高弧形键合丝的第一转折处向一侧转折５０ʎꎬ在高弧形键合丝的第二转折处向同一侧转折３５ʎꎻ在低弧形键合丝的第一转折处向一侧转折４０ʎꎬ在低弧形键合丝的第二转折处向同一侧转折２２ʎꎻ高弧形键合丝第一转折处为高弧形键合丝总长度４０％处ꎻ高弧形键合丝第二转折处为高弧形键合丝总长度６０％处ꎻ低弧形键合丝第一转折处为低弧形键合丝总长度３５％处ꎬ低弧形键合丝第二转折处为低弧形键合丝总长度８０％处ꎮ三㊁金丝球键合工艺技术的应用分析对于金丝球键合工艺技术的应用ꎬ包括适用于液态胶涂覆封装的键合方法ꎬ此类键合方法可以减小因跟外部物体摩擦而断线的概率ꎬ可适用于金丝球焊㊁铜丝球焊㊁铝丝压焊等键合工艺ꎮ同时ꎬ在实际的金丝球键合工艺技术的应用中还具有键合机的方法应用ꎮ同时ꎬ在键合机中还可以采用先进的视觉对准方法ꎬ在这种方法中需要借助先进的控制算法对各类数据进行处理ꎬ包括模糊聚类分析法等ꎮ金丝球键合工艺技术不仅在微波混合集成电路中具有较为重要的应用ꎬ在其他类型的集成电路中也是关键的工艺技术之一ꎮ这种集成电路制造工艺技术具有明显的优点ꎬ如在实现方式上面较为简单ꎬ同时在成本方面也可以做到较为低廉ꎬ同时能够应用在多种不同类型的集成电路封装场合中ꎬ在集成电路的连接方式上占有主导的地位ꎮ同时ꎬ在集成电路的生产制造过程中ꎬ金丝球键合工艺技术可以在温度较低的情况下加以实现ꎮ对于热超声无尾球ꎬ引线键合方法是常采用的工艺技术ꎮ随着微波混合集成电路中的金丝球键合工艺技术水平的提高ꎬ微波混合集成电路的生产制造质量也将会同步得到提高ꎬ使得微波混合集成电路能够应用在更为广阔的领域中ꎮ四㊁结语文章系统分析了微波混合集成电路中的金丝球键合工艺技术的原理及应用情况ꎬ包括金丝球键合工艺技术的实现方法等ꎬ在微波混合集成电路的实际生产中ꎬ可以对文章所述方法加以应用ꎮ参考文献:[１]李嘉.金丝引线键合工艺参数对键合质量影响规律的研究[Ｄ].呼和浩特:内蒙古工业大学ꎬ２０１６.[２]刘丽君ꎬ赵修臣ꎬ李红ꎬ等.热超声金丝键合工艺及其可靠性研究[Ｊ].新技术新工艺ꎬ２０１８(３):２７－３１.[３]肖剑.引线材料与金属间互化物的关联性研究[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１６.作者简介:孙红怡ꎬ南京恒电电子有限公司ꎮ３８１。
半导体键合 aoi
半导体键合 aoi半导体键合（AOI）是一种常用的半导体制备技术，它在半导体器件的制造过程中起到至关重要的作用。
本文将介绍半导体键合（AOI）的原理、应用和发展前景。
一、半导体键合（AOI）的原理半导体键合（AOI）是指通过将两个或多个半导体器件的金属引线与金属基座或线路板上的金属焊盘或焊点进行加热、压合，使它们之间形成稳定可靠的物理连接。
半导体键合的目的是实现器件之间的电连接和机械支撑，同时保证信号的传输和电流的通过。
半导体键合（AOI）的常见类型有焊线键合（wire bonding）、球焊键合（ball bonding）和焊盘键合（flip chip bonding）等。
焊线键合是最常见的一种类型，它通过将金属线（通常是金或铝）焊接在器件的引脚和基座或线路板上的焊盘上来实现电连接。
球焊键合则是通过将金属球（通常是金或铝）焊接在器件的引脚和基座或线路板上的焊盘上来实现电连接。
焊盘键合是将芯片的金属焊盘直接焊接在基座或线路板上的焊盘上，不需要使用金属线或球。
二、半导体键合（AOI）的应用半导体键合（AOI）广泛应用于半导体器件的制造过程中。
它在集成电路、传感器、光电器件等领域起着重要作用。
在集成电路制造中，焊线键合是最常用的一种键合方式，它能够实现芯片与基座或线路板之间的电连接，同时提供机械支撑。
在传感器制造中，焊线键合和球焊键合是常用的键合方式，它们能够实现传感器与基座或线路板之间的电连接和机械支撑。
在光电器件制造中，焊线键合和焊盘键合是常用的键合方式，它们能够实现光电器件与基座或线路板之间的电连接和机械支撑。
三、半导体键合（AOI）的发展前景随着半导体技术的不断发展，半导体键合（AOI）技术也在不断创新和改进。
目前，焊线键合、球焊键合和焊盘键合仍然是主流的键合方式，但随着器件尺寸的不断缩小和功能的不断增强，人们对键合技术的要求也越来越高。
因此，研究人员正在不断探索新的键合方式和材料，以满足不同器件的需求。
引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析
引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析目前IC器件在各个领域的应用越来越广泛，对封装工艺的质量与检测技术提出了更高的要求，如何实现复杂封装的工艺稳定、质量保证和协同控制变得越来越重要。
目前国外对引线键合工艺涉与的大量参数和精密机构的控制问题已有较为深入的研究，并且已经在参数敏感度和重要性的排列方面有了共识。
我国IC封装研究起步较晚，其中的关键技术掌握不足，缺乏工艺的数据积累，加之国外的技术封锁，有必要深入研究各种封装工艺，掌握其间的关键技术，自主研发高水平封装装备。
本文将对引线键合工艺展开研究，分析影响封装质量的关键参数，力图为后续的质量影响规律和控制奠定基础。
2. 引线键合工艺WB随着前端工艺的发展正朝着超精细键合趋势发展。
WB过程中，引线在热量、压力或超声能量的共同作用下，与焊盘金属发生原子间扩散达到键合的目的。
根据所使用的键合工具如劈刀或楔的不同，WB分为球键合和楔键合。
根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合。
根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。
冷超声键合常为铝线楔键合。
热超声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。
2.1 键合质量的判定标准键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。
通常使用键合拉力测试（BPT）、键合剪切力测试（B ST）。
影响BPT结果的因素除了工艺参数以外，还有引线参数（材质、直径、强度和刚度）、吊钩位置、弧线高度等。
因此除了确认BPT的拉力值外，还需确认引线断裂的位置。
主要有四个位置：⑴第一键合点的界面；⑵第一键合点的颈部；⑶第二键合点处；⑷引线轮廓中间。
BST是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力。
剪切力测试可能会因为测试环境不同或人为原因出现偏差，Liang等人 [1]介绍了一种简化判断球剪切力的方法，提出简化键合参数（RBP）的概念，即RBP=powerA ×forceB×timeC，其中A，B，C为调整参数，一般取0.80， 0.40，0.20。
集成电路封装技术
集成电路封装技术在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。
说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。
从电子元器件（如晶体管）的密度这个角度上来说，IC代表了电子学的尖端。
但是IC又是一个起始点，是一种基本结构单元，是组成我们生活中大多数电子系统的基础。
同样，IC 不仅仅是单块芯片或者基本电子结构，IC的种类千差万别（模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等），因而对于封装的需求和要求也各不相同。
本文对IC封装技术做了全面的回顾，以粗线条的方式介绍了制造这些不可缺少的封装结构时用到的各种材料和工艺。
集成电路封装还必须充分地适应电子整机的需要和发展。
由于各类电子设备、仪器仪表的功能不同，其总体结构和组装要求也往往不尽相同。
因此，集成电路封装必须多种多样，才足以满足各种整机的需要。
集成电路封装是伴随集成电路的发展而前进的。
随着宇航、航空、机械、轻工、化工等各个行业的不断发展，整机也向着多功能、小型化方向变化。
这样，就要求集成电路的集成度越来越高，功能越来越复杂。
相应地要求集成电路封装密度越来越大，引线数越来越多，而体积越来越小，重量越来越轻，更新换代越来越快，封装结构的合理性和科学性将直接影响集成电路的质量。
因此，对于集成电路的制造者和使用者，除了掌握各类集成电路的性能参数和识别引线排列外，还要对集成电路各种封装的外形尺寸、公差配合、结构特点和封装材料等知识有一个系统的认识和了解。
以便使集成电路制造者不因选用封装不当而降低集成电路性能;也使集成电路使用者在采用集成电路进行征集设计和组装时，合理进行平面布局、空间占用，做到选型恰当、应用合理。
为什么要对芯片进行封装？任何事物都有其存在的道理，芯片封装的意义又体现在哪里呢？从业内普遍认识来看，芯片封装主要具备以下四个方面的作用：固定引脚系统、物理性保护、环境性保护和增强散热。
下面我们就这四方面做一个简单描述。
1.固定引脚系统要让芯片正常工作，就必须与外部设备进行数据交换，而封装最重要的意义便体现在这里。
集成电路工艺.pptx
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3.5 封装：密封组件用作机械和外界保护。为保 证封装质量，管壳必须具有良好的气密性、足 够的机械强度、良好的电气性能和热性能。 相关设备>>塑封压机 切筋打弯机 打标机
分！！
1
本门课程共分几大块来介绍： 一、绪论
主要介绍微电子器件工艺的发展历史，集成电路的发展历 史及工艺实例。 二、硅的晶体结构 主要介绍硅晶体的特点，晶向，晶面，缺陷，杂质等等。 三、热处理及离子注入 氧化，扩散，离子注入工艺 四、薄膜工艺 物理气相淀积，化学气相淀积，外延工艺 五、图形转移工艺 光刻与刻蚀 六、工艺集成 金属化与多层互连，工艺集成 七、后工艺，测试 减薄，蒸金，划片，烧结，键合，封装，测试
1.5 清洗：合理的清洗是保证硅片表面质量的重 要条件。在晶片制备过程中需要多次清洗，以 去除残留在晶片表面或边缘的废屑等。 相关设备>> 清洗机 冲洗甩干机
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2. 前道工艺
2.1 外延：在单晶衬底晶片上生长一层具有与基片不同 电子特性的薄硅层。 相关设备>>外延炉
2.2 氧化：在高温下，氧和水蒸气跟硅表面起化学作用， 形成薄厚均匀的硅氧化层。 相关设备>>氧化炉
• 集成电路的制造工艺流程十分复杂，而且 不同的种类、不同的功能、不同的结构的集成 电路，其制造的工艺流程也不相同。人们通常 以最小线宽（或称特征尺寸）、硅晶圆片的直 径和动态随机存储器的容量，来评价集成电路 制造工艺的发展水平。
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• 在表0-1中列出了从1995年到2010年集成电路
的发展情况和展望。
IC封装中引线键合互连特性分析
ＣｈｉｎａｌｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｌｔ１、引言随着集成电路（ＩＣ）工作频率或速度不断提高以及产品小型化的要求，封装成为高频集成电路设计的瓶颈，它在信号完整性、损耗等多方面影响电路的特性。
芯片与引线框架的互连技术是ＩＣ封装中极为关键的工艺步骤。
虽然目前已经开发了很多新的互连结构，例如互连点、凸点、按键结构、弹簧结构和柱状结构等，但是ＩＣ市场上引线键合技术因为其低成本和可靠的制造技术仍占主要地位［１］［２］。
ＩＣ发展对引线键合技术的挑战日益增大，尤其是在高速电子产品和射频（ＲＦ）产品上，因此，人们越来越关心封装键合线的高频性能［３］￣［７］。
本文主要研究了键合线的Ｓｐｉｃｅ模型和模型参数提取方法，建立了单个键合线的!型等效电路，给出了根据二端口Ｓ参数提取键合线等效电路模型中的Ｒ、Ｌ和Ｃ参量值的方法。
为了去除测试结构对键合线的影响，准确地获得键合线的Ｓ参数，在电路仿真和测试中使用了去嵌入（ｄｅ－ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）技术。
最后设计了一个简单的低成本的测试结构，比较验证了仿真分析结果。
东南大学集成电路学院周燕南通大学专用集成电路设计重点实验室孙玲景为平IC封装中引线键合互连特性分析*摘要：研究了芯片封装中键合线的建模和模型参数提取方法。
根据二端口网络参量，提出了单键合线的"型等效电路并提取了模型中的Ｒ、Ｌ和Ｃ参量。
最后，设计出一个简单、低成本的测试结构验证了仿真分析结果。
关键词：封装，键合线，建模，参数提取，去嵌入ＣｈａｒａｃｔｅｒＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＢｏｎｄ－ＷｉｒｅｉｎＩＣＰａｃｋａｇｅＺＨＯＵＹａｎ［１］，ＳＵＮＬｉｎｇ［２］ＪＩＮＧＷｅｉｐｉｎｇ［２］（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２１００９６Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ２．ＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｆＡＳＩＣＤｅｓｉｇｎ，ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２２６００７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｗａｓｔｏｐｒｅｓｅｎｔａｐｒｅｐａｒａｔｏｒｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆＩＣｐａｃｋａｇｅｓｆｏｒｃｈｉｐ－ｐａｃｋａｇｅｃｏ－ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｗｏｒｋｗａｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｂｏｎｄ－ｗｉｒｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｗｏ－ｐｏｒｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｌｕｍｐｅｄ#－ｔｙｐｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒａｓｉｎｇｌｅ－ｂｏｎｄ－ｗｉｒｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄｔｈｅＲ，Ｌ，ａｎｄＣｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｂｏｎｄ－ｗｉｒｅｗｅｒｅｅｘｔｒａｃｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｓｉｍｐｌｅａｎｄｌｏｗｃｏｓｔｔｅｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｄｅｆｏｒｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐａｃｋａｇｅ；Ｂｏｎｄ－ｗｉｒｅ；Ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；Ｄｅ－ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ＊基金项目：江苏省高新技术资助项目（ＢＧ２００５０２２），南通大学自然科学基金资助项目（０５Ｚ１１５）５５ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｉｃｍａｇ．ｃｏｍ（总第９０期）２００６·１１·（总第９０期）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｉｃｍａｇ．ｃｏｍ２、键合线模型目前，全波分析方法被广泛应用在互连结构建模中。
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混合集成电路的外引线键合技术 混合集成电路的外引线键合技术
1.引言 混合集成电路多采用引线键合的方式实现基板与管壳引线柱之间的互连，即混合电路的外引线键合。实现外引线键合的方式通常有以下几种；SiAl丝超声焊、Au丝热压焊、Au丝球焊、Au丝点焊、粗Al丝超声焊、Cu丝超声焊和Cu丝点焊等。与混合集成电路内引线键合不同，外引线键合时，键合丝的1端在厚膜或薄膜的金属化层上，另一端不在IC芯片上，而在管壳的引线柱上。有关内引线键合研究的文献报道很多[1][2][3]。大家从键合的机理、键合工艺、键合机器、键合丝材料以及IC的金属化层、
薄膜金属化层、厚膜金属化层等各个不同的角度对内引线键合的质量进行研究。对引线键合可靠性的研究基本上都集中在金属间化合物的形成、生长，金属焊区的清洗等方面。有关外引线键合的研究，大多都集中在金属管壳的镀层结构、材料和镀层厚度对键合质量的影响[4]。本文针对混合集成电路的外引线键合，对不同的键合工艺及其对应的金属学系统进行研究，并对Au丝球焊、Au丝点焊和SiAl丝超声焊的结果进行了对比，认为采用Au丝点焊工艺键合混合电路外引线的效果最佳。 2.实验方法 选取某电路所用的基片和配套的TP13管壳13套，管壳的引脚采用可伐镀金工艺。采用正常的组装工艺进行操作。制作实验用的电路样品，每只样品有10个外引线镀金引脚。在每1只实验样品中，分别采用40μm的SiAl丝超声焊、40μm的Au丝球焊和40μm的Au丝点焊3种键合方式进行键合。其中每个实验样品中，SiAl丝超声焊和Au丝点焊各3个外引线引脚，Au丝球焊4个外引线引脚。键合完成后，抽取1只样品在室温下做破坏性键合强度实验，
剩余的12只样品分为3组，每组4只样品，分别做300℃、1h，300℃、2h和300℃、3h的高温存贮实验。然后再做破坏性键合强度实验，对比3种键合方式的键合强度的实
验结果。 3.实验结果 采用上述3种键合方式键合的样品，经过常温和300℃不同时间存贮后的键合强度值如表1所示。表1中，失效模式正常是指从键合点的颈部或键合丝的中部断裂。镀金层脱焊是指从外引线柱顶端的镀金层处脱落。表1 3种键合方式的键合强度的比较 样品 金丝焊球 金丝热压焊 硅铝丝超声焊 常温 1＃ 14.712.813.715.5 13.613.215.0 11.813.614.3 300℃1h 2＃ 13.715.114.411.5 12.912.011.5 1.00.42.2 3＃ 14.615.213.514.4 12.514.514.5 0.40.60.1 4＃ 15.317.915.516.2 13.516.115.1 0.30.30.5 5＃ 13.916.115.217.0 10.111.618.0 0.80.50.9 300℃2h 6＃ 14.013.515.112.9 15.014.614.3 1.10.91.3 7＃ 16.316.414.114.3 18.318.218.7 2.41.41.6 8＃ 12.212.816.716.2 17.313.415.0 0.80.52.2 9＃ 15.315.615.715.8 21.017.116.4 3.41.61.7 300℃2h 10＃ 16.313.711.913.8 14.413.914.3 1.70.30.3 11＃ 13.915.64.815.2 18.313.010.4 0.50.21.5 12＃ 15.213.811.312.7 14.110.215.0 0.30.90.8 13＃ 13.111.14.813.4 22.622.614.5 1.80.20.0 失效模式 正常 正常 镀金层脱焊 常温时，Au丝球焊，Au丝点焊和SiAl丝超声焊3种键合方式的键合强度平均值几乎没有差别，分别为14.18gf，13.93gf和13.20gf。经过300℃、1h的高温存贮后，Au丝球焊和Au丝点焊的键合强度值基本不变，分别为14.97gf和13.69gf，但是SiAl丝超声键合的键合强度值急剧下降，从常温时的13.20gf下降到0.67gf，而且此时SiAl丝超声键合的键合强度最大值只有0.9gf，最小值为0.1gf。再经过300℃、2h的高温存贮后，Au丝球焊的键合强度值维持不变，为14.8bgf，而Au丝点焊的键合强度值有所上升，为16.60gf，SiAl丝超声键合的键合强度值依然很小，为1.58gf。经过300℃、3h的高温存贮后，金丝球焊的键合强度值开始下降，从原来的14gf下降为12.56gf，而Au丝点焊的键合强度值没有下降，为16.10gf，和300℃、2h的结果相同，SiAl丝超声焊的键合强度值出现了零克点。可见，Au丝球焊和Au丝点焊经过300℃的高温考核后，其键合强度变化较小，而SiAl丝超声键合的键合强度值急速退化，直至出现零克点。 4.分析与讨论 4.1压焊的原理 压焊是微电子器件焊接中应用最广泛的1种焊接技术。顾名思义，压焊时，被焊接的金属无论是否加热都需要施加一定的压力。金属受压后产生一定的塑性变形，而2种金属的原始交接面处几乎接近原子力的范围，2种金属原子产生相互扩散，形成牢固的焊接[5]。为了保证热压焊接能形成可靠的连接，适于热压焊接的金属材料有以下几类： （1）在固态时可形成一系列的固熔体，并具有良好的相互扩散能力的金属材料，如AgAu、AuCu等。 （2）相互间可形成低温固熔体的材料，如AlSi、AuSi等。 （3）通过相互扩散作用，能形成金属间化合物或低共熔点的合金，如AuAl、AuSn等。 热压焊时，由于被焊接的金属不需要象熔焊那样全部熔融，也不需要象钎焊那样添加任何填料，所以AuAu系统、AuAl系统和全铝系统的点焊、热压焊技术已经广泛地应用在微电子技术中。 4.2引线键合强度的退化机理 无论是金丝和铝金属化层还是铝丝和金的金属化层的键合都会形成AuAl金属化间化合物。 金和铝接触时生成的金属间化合物共有5种：Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl和AuAl2。通常由于金含量远多于铝含量，故在AuAl键合界面处观察到的金属间化合物
只有3种或4种，即Au4Al、Au5Al2、Au2Al和AuAl2。当Au的含量高时，即靠近外引柱镀金层的富Au区，Au4Al是主要的合金相，当Al的含量相对高时，即靠近Al丝的富Al区，主要生成的是AuAl2。当Au和Al的含量相当时，就会产生AuAl和AuAl2。其中AuAl2呈紫色，俗称“紫斑”，是1种良导体，300K时，其电阻率是8×10－6Ω·cm，熔点为1060℃。Au2Al颜色呈白色，俗称“白斑”，是1种很脆的绝缘体，熔点只有624℃。由于“白斑”Au2Al的危害更大，更具脆性，所以对焊点的可靠性危害更大。由于这些金属间化合物的晶格常数不同，机械性能和热性能也不同，故反应时会产生物质移动，从而在界面层形成可见的Kirkendal洞或产生龟裂，从而易在此处引起焊点失效。随着时间的延长和温度的提高，金属间化合物的厚度会逐渐增加，其增长状态满足下列简单的扩散关系： X2=Dt(1) 式中，X是扩散深度；D是扩散系数；t是扩散时间。 表2列出实测的Au-Al金属间化合物厚度随高温处理呈现增长的情况〖7〗。 表2 Au-Al金属间化合物厚度的增长 温度/℃ 加热时间/min 厚度/μm 温度/℃ 加热时间/min 厚度/μm 300 2 35 250 8 21 300 4 44 250 10 23 300 8 50 200 6 8.9 300 10 60 200 8 9.9 250 2 14 200 10 10.9 250 4 17 显然，要提高Au-Al系统的键合强度，一定要想方设法控制和减少Au-Al金属间化合物的不断生长。4.3实验结果分析 4.3.1金丝球焊 金丝球焊采用衬底加热，将金丝的1端烧成球，在一定的压力和温度下，使得金球和外引线柱上的镀金层形成牢固的键合。由于AuAu系统中没有其他物质生成，所以经过300℃、2h的高温存贮后，其键合强度值没有变化。但是由于外引线柱表面镀金层中的杂质和镀金层表面吸附的有机物不能在键合时有效地剔除，导致300℃、长时间的高温存贮后键合强度下降，如图1所示。 4.3.2金丝点焊 金丝点焊属于1种电阻焊，也叫接触焊。在点焊过程中，需要对被焊接的金属施加一定的压力和热量，使被焊接的金属产生足够的塑性变形，并使焊区金属局部熔化，当热源消失以后，熔融的金属在继续施加的压力作用下凝固，形成牢固的焊接。由于点焊时两种金属都被熔化，点焊的中心由凝固的金属组成，所以300℃、1h后金丝点焊的键合强度没有变化。经过300℃、2h的高温贮存后，Au原子的相互扩散得以加强，金属熔融得更加充分，金丝点焊的键合强度从300℃、1h后的13.69gf增加到16.60gf。再延长时间，其键合强度维持不变。4.3.3 SiAl丝超声焊 根据上述分析结果，Au-Al键合系统会产生多种金属间化合物，尤其是“白斑”Au2Al的生成和金属与金属间化合物的界面处产生的Kirkendahl洞对键合点的键合强度损害最大。随着温度的升高和时间的延长，金属间化
合物也在生长，同时Kirkendahl洞及其周围的裂纹也在扩展，导致了Si-Al丝超声焊在外引线镀金层表面键合点的键合强度从常温时的13.20gf急剧下降到300℃、1h后的0.66gf。另外，镀金层中的杂质以及镀金层表面吸附的有机物也加剧了Au-Al系统中金属
间化合物和Kirkendahl洞在高温存贮后的生长。在引线柱上进行超声键合时，由于引线柱的振动，超声能量不能集中，能量损失较大，也是造成键合强度不高的原因之一。 5.结论 经过上述的实验结果和分析讨论，可以得出以下结论。对于混合集成电路镀金外引线的键合，金丝点焊、金丝球焊和Si-Al丝超声焊都能满足要求。但是，金丝点焊和金丝球焊要优于Si-Al丝超声焊，其中，经过高温、长时间存贮后，金丝点焊的结果要优于金丝球焊。
金丝和AL PAD焊接微观变化 无论是金丝和铝金属化层还是铝丝和金的金属化层的键合都会形成AuAl金属化间化合物。 金和铝接触时生成的金属间化合物共有5种：Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl和AuAl2。通常由于金含量远多于铝含量，故在AuAl键合界面处观察到的金属间化合物
只有3种或4种，即Au4Al、Au5Al2、Au2Al和AuAl2。当Au的含量高时，即靠近外引柱镀金层的富Au区，Au4Al是主要的合金相，当Al的含量相对高时，即靠近Al丝的富Al区，主要生成的是AuAl2。当Au和Al的含量相当时，就会产生AuAl和AuAl2。其中AuAl2呈紫色，俗称“紫斑”，是1种良导体，300K时，其电阻率是8×10－6Ω·cm，熔点为1060℃。Au2Al颜色呈白色，俗称“白斑”，是1种很脆的绝缘体，熔点只有624℃。由于“白斑”Au2Al的危害更大，更具脆性，所以对焊点的可靠性危害更大。由于这些金属间化合物的晶格常数不同，机械性能和热性能也不同，故反应时会产生物质移动，从而在界面层形成可见的Kirkendal洞或产生龟裂，从而易在此处引起焊点失效。