引線鍵合(WB)—將芯片裝配到PCB上的方法

結(jié)束前工序的每一個(gè)晶圓上，都連接著500~1200個(gè)芯片(也可稱作Die)。 為了將這些芯片用于所需之處，需要將晶圓切割(Dicing)成單獨(dú)的芯片后，再與外部進(jìn)行連接、通電。 此時(shí)，連接電線(電信號的傳輸路徑)的方法被稱為 引線鍵合(Wire Bonding) 。 其實(shí)，使用金屬引線連接電路的方法已是非常傳統(tǒng)的方法了，現(xiàn)在已經(jīng)越來越少用了。 近來，加裝芯片鍵合(Flip Chip Bonding)和硅穿孔(Through Silicon Via，簡稱TSV)正在成為新的主流。 加裝芯片鍵合也被稱作凸點(diǎn)鍵合(Bump Bonding)，是利用錫球(Solder Ball)小凸點(diǎn)進(jìn)行鍵合的方法。 硅穿孔則是一種更先進(jìn)的方法。

為了了解鍵合的最基本概念，在本文中，我們將著重探討引線鍵合，這一傳統(tǒng)的方法。

一、鍵合法的發(fā)展歷程

圖1. 鍵合法的發(fā)展史：引線鍵合→加裝芯片鍵合→硅穿孔

為使半導(dǎo)體芯片在各個(gè)領(lǐng)域正常運(yùn)作，必須從外部提供偏壓(Bias voltage)和輸入。 因此，需要將金屬引線和芯片焊盤連接起來。 早期，人們通過焊接的方法把金屬引線連接到芯片焊盤上。

從1965年至今，這種連接方法從引線鍵合(Wire Bonding)，到加裝芯片鍵合(Flip Chip Bonding)，再到TSV，經(jīng)歷了多種不同的發(fā)展方式。

引線鍵合顧名思義，是利用金屬引線進(jìn)行連接的方法; 加裝芯片鍵合則是利用凸點(diǎn)(bump)代替了金屬引線，從而增加了引線連接的柔韌性; TSV作為一種全新的方法，通過數(shù)百個(gè)孔使上下芯片與印刷電路板(Printed Circuit Board，簡稱PCB)相連。

二、鍵合法的比較：引線鍵合(Wire Bonding)和加裝芯片鍵合(Flip Chip Bonding)

圖2. 引線鍵合VS加裝芯片鍵合的工藝

芯片鍵合，作為切割工藝的后道工序，是將芯片固定到基板(substrate)上的一道工藝。 引線鍵合則作為芯片鍵合的下道工序，是確保電信號傳輸?shù)囊粋€(gè)過程。 與引線鍵合相似的另一種連接方法為加裝芯片鍵合，兩者都是使用直徑很小的金屬物體來連接芯片中的焊盤和PCB上的焊盤(在引線框架下，僅使用于引線鍵合)的。

相比之下，利用金屬引線進(jìn)行連接的引線鍵合法有如下幾個(gè)缺點(diǎn)：金屬引線比凸點(diǎn)要長，且直徑更小，因此傳輸電信號耗時(shí)長; 且由于金屬引線的高阻抗(impedance)，信號很容易失真。 不僅如此，由于焊頸(solder neck)容易斷開、且結(jié)合強(qiáng)度相對較弱，因此拉伸強(qiáng)度相對較差。 相反，加裝芯片鍵合法雖然操作連接器小錫球有些復(fù)雜，但在連接可靠性和電信號傳輸?shù)确矫鎱s有很多優(yōu)勢。

三、引線鍵合(Wire Bonding)是什么?

圖3. 引線鍵合的結(jié)構(gòu)(載體為印刷電路板(PCB)時(shí))

引線鍵合是把金屬引線連接到焊盤上的一種方法，即是把內(nèi)外部的芯片連接起來的一種技術(shù)。 從結(jié)構(gòu)上看，金屬引線在芯片的焊盤(一次鍵合)和載體焊盤(二次鍵合)之間充當(dāng)著橋梁的作用。 早期，引線框架(lead frame)被用作載體基板，但隨著技術(shù)的日新月異，現(xiàn)在則越來越多地使用PCB作基板。 連接兩個(gè)獨(dú)立焊盤的引線鍵合，其引線的材質(zhì)、鍵合條件、鍵合位置(除連接芯片和基板外，還連接兩個(gè)芯片，或兩個(gè)基板)等都有很大的不同。

四、引線鍵合法 ：熱壓/超聲波/熱超聲波

圖4. 引線鍵合法

將金屬引線連接到焊盤的方法主要有三種：熱壓法(thermo-compression method)，將焊盤和毛細(xì)管劈刀(類似毛細(xì)管狀的移動金屬引線的工具)通過加熱、壓縮進(jìn)行連接的方法; 超聲波法(Ultrasonic)，不加熱，將超聲波施加到毛細(xì)管劈刀上進(jìn)行連接的方法; 熱超聲波法(Thermosonic)，同時(shí)使用加熱和超聲波的綜合式方法。

第一種是熱壓鍵合法，提前將芯片焊盤的溫度加熱到200℃左右，再提高毛細(xì)管劈刀尖端的溫度，使其變成球狀，通過毛細(xì)管劈刀向焊盤施加壓力，從而將金屬引線連接到焊盤上。

第二種超聲波法(Ultrasonic)是在楔形劈刀(Wedge,與毛細(xì)管劈刀類似，是移動金屬引線的工具，但不形成球狀)上施加超聲波，實(shí)現(xiàn)金屬引線與焊盤連接的方法。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝和材料成本低; 但由于超聲波法用易操作的超聲波代替了加熱和加壓的過程，因此鍵合拉伸強(qiáng)度(bonded tensile strength，連線后拽拉引線時(shí)的承受能力)則相對較弱。

半導(dǎo)體工藝中最常用的方法其實(shí)是第三種熱超聲波法。 它結(jié)合了熱壓法和超聲波法的優(yōu)點(diǎn)。 熱超聲波法將熱、壓力和超聲波施加于毛細(xì)管劈刀，使其在最佳狀態(tài)下進(jìn)行連接。 在半導(dǎo)體的后端工藝中，相比成本，鍵合的強(qiáng)度更加重要，因此盡管這一方法的成本相對較高，但金絲熱超聲波法是最經(jīng)常采用的鍵合方法。

五、鍵合金屬引線的材質(zhì)：金/鋁/銅

金屬引線的材質(zhì)是根據(jù)綜合考慮各種焊接參數(shù)(parameter)，并組合成最妥當(dāng)?shù)姆椒▉頉Q定的。 這里指的參數(shù)所涉及的事項(xiàng)繁多，包括半導(dǎo)體的產(chǎn)品類型、封裝種類、焊盤大小、金屬引線直徑、焊接方法，以及金屬引線的抗拉強(qiáng)度和伸長率等有關(guān)信賴度的指標(biāo)。 典型的金屬引線材質(zhì)有金(Au)、鋁(Al)和銅(Cu)。 其中，金絲多用于半導(dǎo)體的封裝。

金絲(Gold Wire)的導(dǎo)電性好，且化學(xué)性很穩(wěn)定，耐腐蝕能力也很強(qiáng)。 然而，早期多使用的鋁絲的最大缺點(diǎn)就是易腐蝕。 而且金絲的硬度強(qiáng)，因此，在一次鍵合中可以很好地形成球狀，并能在二次鍵合中恰到好處地形成半圓形引線環(huán)(Loop，從一次鍵合到二次鍵合金絲形成的形狀)。

鋁絲(Aluminum Wire)比金絲直徑更大，間距(pitch)也更大。 因此，即使使用高純度的金絲形成引線環(huán)也不會斷裂，但純鋁絲則很容易斷裂，所以會摻和一些硅或鎂等制成合金后使用。 鋁絲主要用于高溫封裝(如 Hermetic)或超聲波法等無法使用金絲的地方。

銅絲(Copper Wire)雖價(jià)格便宜，但硬度太高。 如果硬度過高，不容易形成球狀，且形成引線環(huán)時(shí)也有很多限制。 而且，在球鍵合過程中要向芯片焊盤施加壓力，如果硬度過高，此時(shí)，焊盤底部的薄膜會出現(xiàn)裂紋。 此外，還會出現(xiàn)牢固連接的焊盤層脫落的“剝落(Peeling)”現(xiàn)象。 盡管如此，由于芯片的金屬布線都是由銅制成的，所以如今越來越傾向于使用銅絲。 當(dāng)然，為了克服銅絲的缺點(diǎn)，通常會摻和少量的其他材質(zhì)形成合金后使用。

六、材質(zhì)不同，引線鍵合法也不同：金絲VS鋁絲

引線鍵合中毛細(xì)管劈刀可以說是最核心的工具。 毛細(xì)管劈刀，一般使用金絲，楔形鍵合則使用鋁絲。 毛細(xì)管劈刀是通過形成球狀來實(shí)現(xiàn)鍵合的，而楔形鍵合則無需形成球狀。 楔形劈刀從形狀上就與晶圓末端的毛細(xì)管劈刀不同，且連接和切斷(tear)引線的方法也不同。

如果說金絲采用的是“熱超聲波-毛細(xì)管劈刀-球”的引線鍵合法，鋁絲采用的則是鋁絲楔形引線鍵合法(Aluminum Wedge Wire Bonding)，即“超聲波-楔形鍵合“的方法。 鋁絲—超聲波法由于抗拉強(qiáng)度低，只能在特殊情況下使用，而90%以上的情況采用的都是“金絲-熱超聲波法”。

當(dāng)然，熱超聲波法也存在缺點(diǎn)，即球頸(ball neck)脆弱。 所以要非常謹(jǐn)慎地管理HAZ(Heat Affected Zone，在金屬引線材質(zhì)被毛細(xì)管的高溫稍熔化后，在凝固過程中再結(jié)晶的金屬引線區(qū)域)。

七、利用金絲的球鍵合

圖5. 一次鍵合：在芯片焊盤上的球引線鍵合

最常使用的“熱超聲波金絲球鍵合法”(Thermosonic Gold Ball Wire Bon-ding)，分為兩個(gè)鍵合階段。

一次鍵合過程如下：金絲穿過毛細(xì)管劈刀正中央的小孔，提高金絲末端的溫度，金絲融化后形成金絲球(Gold Ball)，打開夾持金屬絲的夾鉗(用于收放金屬引線)，施加熱、壓力和超聲波振動，當(dāng)毛細(xì)管劈刀接觸焊盤時(shí)，形成的金絲球會粘合到加熱的焊盤上。 完成一次球鍵合后，將毛細(xì)管劈刀提升到比預(yù)先測量的環(huán)路高度略高的位置，并移動到二次鍵合的焊盤上，則會形成一個(gè)引線環(huán)(loop)。

圖6. 二次鍵合：PCB焊盤上的針腳式鍵合

二次鍵合過程如下：向毛細(xì)管劈刀施加熱、壓力和超聲波振動，并將第二次形成的金絲球碾壓在PCB焊盤上，完成針腳式鍵合(stitch bonding)。 針腳式鍵合后，當(dāng)引線連續(xù)斷裂時(shí)，進(jìn)行拉尾線(Tail Bonding)，以形成一尾線(wire tail)。 之后，收緊毛細(xì)管劈刀的夾鉗(即夾住引線)、斷開金屬引線，結(jié)束二次金絲球鍵合。

今天，我們主要講了引線鍵合法與材質(zhì)之間的相互作用，以及引線鍵合的具體方法。 在本文中，對可靠性和引線鍵合中可能出現(xiàn)的問題只是進(jìn)行了簡短的介紹，但要銘記，在引線鍵合過程中，發(fā)現(xiàn)問題，并找出克服問題的解決方案，理解相互之間的權(quán)衡關(guān)系是非常重要的。

來源：SK海力士

原文作者：陳鍾文

審核編輯：湯梓紅