什么是引線鍵合（WireBonding）

線鍵合（WireBonding）

線鍵合是一種使用細(xì)金屬線，利用熱、壓力、超聲波能量為使金屬引線與基板焊盤緊密焊合，實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通。在理想控制條件下，引線和基板間會(huì)發(fā)生電子共享或原子的相互擴(kuò)散，從而使兩種金屬間實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)上的鍵合。

圖1

在IC封裝中，芯片和引線框架（基板）的連接為電源和信號(hào)的分配提供了電路連接。有三種方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接∶倒裝焊（Flip Chip Bonding）、載帶自動(dòng)焊（TAB 一Tape Automated Bonding）和引線鍵合（Wire Bonding）。雖然倒裝焊的應(yīng)用增長(zhǎng)很快，但是目前90%以上的連接方式仍是引線鍵合。這個(gè)主要是基于成本的考慮。雖然倒裝焊能大幅度提升封裝的性能，但是過于昂貴的成本使得倒裝焊僅僅用于一些高端的產(chǎn)品上。事實(shí)上對(duì)于一般產(chǎn)品的性能要求，用引線鍵合已經(jīng)能夠達(dá)到。

圖2

焊線的目的是將晶粒上的接點(diǎn)以極細(xì)的金線(18~50μm)連接到引線架上的內(nèi)引腳。從而將集成電路晶粒的電路信號(hào)傳輸?shù)酵饨?。?dāng)引線架從彈匣內(nèi)傳送至定位后，應(yīng)用電子影 像處理技術(shù)來確定晶粒上各個(gè)接點(diǎn)以及每一接點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的內(nèi)引腳上接點(diǎn)的位置，然后完成焊線的動(dòng)作，焊線示意圖如圖三所示。焊線時(shí)，以晶粒上的接點(diǎn)為第一焊點(diǎn)，內(nèi)引腳上的接點(diǎn)為第二焊點(diǎn)，焊線焊點(diǎn)如（圖3a）所示。首先將金線的端點(diǎn)燒結(jié)成小球，而后將小球壓焊在第一焊點(diǎn)上(此稱為第一焊，F(xiàn)irst Bond), 如(圖3b) 所示。接著依照設(shè)計(jì)好的路徑拉 金線，最后將金線壓焊在第二焊點(diǎn)上(此稱為第二焊，Second Bond)，如（圖3c）所示。同時(shí)拉斷第二焊點(diǎn)與鋼嘴間的金線，完成一條金線線的焊線動(dòng)作。接著便又結(jié)成小球開始下一條金線的焊線動(dòng)作。

圖3

引線鍵合工程是引線架上的芯片與引線架之間用金線連接的工程。為了使芯片能與外界傳送及接收信號(hào)，就必須在芯片的接觸電極與引線架的引腳之間，一個(gè)一個(gè)對(duì)應(yīng)地用鍵合線連接起來，這個(gè)過程稱為引線鍵合。

引線鍵合的主要材料

鍵合用的引線對(duì)焊接的質(zhì)量有很大的影響，尤其對(duì)器件的可靠性和穩(wěn)定性影響更大。理想引線材料具有以下特點(diǎn)：

1.能與半導(dǎo)體材料形成低電阻歐姆接觸。2.化學(xué)性能穩(wěn)定，不會(huì)形成有害的金屬間化合物。3.與半導(dǎo)體材料接合力強(qiáng)。4.可塑性好，容易實(shí)現(xiàn)鍵合。

5.彈性小，在鍵合過程中能保持一定的幾何形狀。

引線鍵合的焊線材料

金線和鋁線是使用最普遍的焊線材料。金性能穩(wěn)定，做出來的產(chǎn)品良率高，鋁雖然便宜，但不穩(wěn)定，良率低。幾種主要的焊線對(duì)比如下：

1.金線：

使用最廣泛，傳導(dǎo)效率最好，金鑒實(shí)驗(yàn)室根據(jù)LED產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)推出金線來料檢驗(yàn)的服務(wù)，協(xié)助LED企業(yè)鑒定金線質(zhì)量，選擇品質(zhì)可靠的金線。

2.鋁線：

多用在功率型組件的封裝。

3.銅線：

由于金價(jià)飛漲，近年來大多數(shù)封裝廠積極開發(fā)銅線制程以降低成本。銅線對(duì)目前國(guó)內(nèi)的部分封裝廠來說，在中低端產(chǎn)品上還是比較經(jīng)濟(jì)的，但是需加保護(hù)氣體，剛性強(qiáng)。

4.銀線：

特殊組件所使用，在封裝工藝中不使用純銀線，常采用銀的合金線，其性能較銅線好，價(jià)格比金線要低，也需要用保護(hù)氣體，對(duì)于中高端封裝來說不失為一個(gè)好選擇。銀線的優(yōu)勢(shì)如下：

• 一是銀對(duì)可見光的反射率高達(dá)90%，居金屬之冠，在LED應(yīng)用中有增光效果。
• 二是銀對(duì)熱的反射或排除也居金屬之冠，可降低芯片溫度，延長(zhǎng)LED壽命。
• 三是銀線的耐電流性大于金和銅四是銀線比金線好管理（無形損耗降低），銀變現(xiàn)不易五是銀線比銅線好儲(chǔ)放（銅線需密封，且儲(chǔ)存期短，銀線不需密封，儲(chǔ)存期可達(dá)6~12個(gè)月）。

在目前的集成電路封裝中，金線鍵合仍然占大部分，鋁線鍵合也只是占了較少一部分，鋁線鍵合封裝只占總封裝的 5%，而銅線鍵合大概也只有 1%。另外，引線架提供封裝組件電、熱傳導(dǎo)的途徑，也是所有封裝材料中需求量最大的。引線架材料有鎳鐵合金、復(fù)合或披覆金屬、銅合金三大類。

引線鍵合作用

焊接時(shí)還要用到一種很重要的結(jié)構(gòu)，叫作微管，即毛細(xì)管，如圖 2-8 所示，是引線鍵合機(jī)上金屬線最后穿過的位置。金屬線通過微管與芯片或焊盤上相應(yīng)的位置進(jìn)行接觸，并完成鍵合作用。微管的尖端表面的性質(zhì)對(duì)于引線鍵合很重要，其表面主要分為 GM 和P型兩種。

• GM型：表面粗糙，在焊接時(shí)，可以更好地傳遞超聲波能量，提高焊接的效果，但是容易附著空氣中的污染物，又影響焊接，降低使用壽命。

P型：表面光滑，不易附著灰塵和異物，對(duì)于超聲波的傳遞效果不是很好。

引線鍵合的方式與特點(diǎn)

1.熱壓焊(Thermocompression Bonding，T/C)的工藝過程是在一定溫度下，施加-定壓力，劈刀帶著引線與焊區(qū)接觸并達(dá)到原子間距，從而產(chǎn)生原子間作用力，達(dá)到鍵合的目的。

• 溫度：高于200C。
• 壓力：0.5~1.5N/點(diǎn)。
• 強(qiáng)度(拽扯脫點(diǎn)的拉力大小)：0.05~009N。

2.超聲焊(Ultrasonic Bonding)的工藝過程是刀在超聲波的作用下，在振動(dòng)的同時(shí)去除了焊區(qū)表面的氧化層，并與煤區(qū)達(dá)到原子間距，產(chǎn)生原子間作用。從而達(dá)到鍵合目的。

• 溫度：室溫。
• 壓力：小于0.5N/點(diǎn)。
• 強(qiáng)度：0.07N。

3.熱聲焊是超聲波熱壓焊接方式 (Thermosonic & Ultrasonic Bonding，U/S&T/S)，熱聲焊原理如圖4所示，即在一定壓力、超聲波和溫度共同作用一定時(shí)間后，將金球壓接在芯片的鋁盤焊接表面《金絲球焊)。

圖4

熱聲焊的意義

1.借助超聲波的能量，可以使芯片和劈刀的加熱溫度降低。金絲熱壓焊芯片溫度為330~350℃，劈刀溫度為165℃。熱聲焊：芯片溫度為125~300℃，劈刀溫度為125~165℃。2.由于溫度降低，可以減少金、鋁間金屬化合物的產(chǎn)生，從而提高鍵合強(qiáng)度，降低接觸電阻。3.可鍵合不能耐300℃以上高溫的器件。4.鍵合壓力、超聲功率可以降低一些。5.有殘余鈍化層或有輕微氧化的鋁壓點(diǎn)也能鍵合。6.工藝過程在于劈刀在加熱與超聲波的共同作用下，去除焊區(qū)表面的氧化層，達(dá)到鍵合的目的。

• 溫度：小于200℃。
• 壓力：0.5N/點(diǎn)。
• 強(qiáng)度∶0.09~0.1N。

注意：如溫度過高，芯片會(huì)變形，易形成氧化層；超聲焊和熱聲焊的焊接強(qiáng)度比熱壓焊強(qiáng)一些。