摘 要： 半导体的性能和可靠性与器件的封装形式亲近相关，而引线键合工艺无疑是其中主要且容易泛起失效的一环，其失效约莫占总失效的1/3。因此，对引线键合工艺的深入明确对器件封装至关主要。本文周全深入地叙述了引线键合工艺，包括引线键合的多种工艺要领、引线键合的手艺原理与特点、引线键合的打线方法、引线键合的现实应用以及引线键合常见的失效形式等。本文对引线键合的综合性叙述事情对器件封装的设计和制造有着主要的启引作用。
要害词： 封装 ；键合机理 ；键合工艺 ；键合质料 ；打线形式 ；键合失效
Research on Power Device Wire Bonding Technology: A Review
NS Technical Literature of the Third Gen-Semiconductor Project Team
Abstract The performance and reliability of semiconductors are closely related to the packaging form of devices, and the wire bonding process is undoubtedly an important part and is prone to failure, which the wire bonding failures account for about 1/3 of the total failures. Therefore, an deep understanding of the lead bonding process is very important for device packaging. This article comprehensively elaborates on the wire bonding process, including the various techniques, the technical principles and characteristics, the bonding methods, and the practical applications and the common failure modes of wire bonding. It is believed that the comprehensive exposition of the wire bonding in this article has an important inspiration for device packaging.
Keywords packaging ；bonding mechanism ；bonding process ；bonding materials ；bonding forms ；bonding failure
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3 引线键合的工艺特点
3.1 球形键合与楔形键合
凭证焊点的形状差别，我们将引线键合的形式划分成球形键合与楔形键合，一样平常先在芯片外貌形成第一个焊点，并在稳固之后将引线拉动以形成线弧，最后在引线框架或基板上形成第二个焊点。
球形键合，顾名思义就是将焊线通过高温熔化成球，以一定的形状与巨细压在焊盘上，通过超声能量或者热压力将球压扁，抵达塑性变形后与焊盘上的金属质料完成界面间的扩散，在键合历程中主要以热压超声键合方法为主。
楔形键合，一样平常通过超声能量举行焊接，超声能量使引线变形，再施加压力，从而形成楔形焊点，拉伸形成线弧后，在第二焊点举行相同操作，切断线尾，完成键合，在键合历程中主要以超声键合方法为主。
管状劈刀一样平常应用在球形键合，质料为陶瓷，多用于线径较小的金线与铜线 ；楔形劈刀则应用在楔形键合，质料为钨钢或钛钢，常用于线径为3mil-20mil的粗铝线。键合历程中主要以压力超声键合方法为主。
球形键合与楔形键合的工序如图7：
图7 球形键合（a）与楔形键合（b）
Fig.7 Ball bonding (a) and wedge bonding (b)
两种键合形式的区别在于球形键合在每次键合循环前会形成烧球，将烧球键合在焊盘上作为第一焊点 ；楔形键合则是引线在超声能量与加压下形成楔状焊点键合在焊盘上，主要是第一焊点的形状有所差别以及后续形成线弧的移动偏向有所差别[17]。球形键合与楔形键合新年能较量如表3所示。
表3 球形键合与楔形键合优弱点较量
Tab.3 Comparison of advantages and disadvantages of ball bonding and wedge bonding
优点 | 弱点 | |
球形键合 | 作为第一键合点，可以将引线拉伸至任何偏向，不危险球颈 ； 可靠性高，缺陷较少 ； 事情效率高。
| 成球需要高温，关于易氧化的引线需要举行气体 ； ； 对键合界面敏感，需要在键合前举行预处置惩罚 ； 成球过大，不适合小焊盘 ； 高温情形下，容易在金属接触面形成多种金属间键合物。 |
楔形键合 | 室温下加工，无需 ；て ； 一样平常不会泛起键合界面爆发氧化导致界面污染 ； 冶金学的超声键合能够在许多差别金属间完成且很难形成金属间化合物 ； 焊点较小，能实现小间距器件键合。 | 引线必需平行键合点，事情效率低 ； 第二焊点低于第一焊点时，引线容易接触到器件边沿导致短路 ； 不适合厚实金属层的键合。
|
3.2 键合质料特征与差别
键合工序中的键合质料主要有金、铜、铝三种线材，其应具备以下特点：化学性子稳固、不易形成有害的金属间化合物，不形成造成侵蚀的物质 ；连系性好，能与半导体质料形成低电阻欧姆接触 ；弹性好 ；引线材质延展性好，易被加工成细丝，易于卷绕，并容易实现键合 ；外貌平整清洁[18]。表4对三种键合引线的物理参数举行较量，通过其间的参数比照剖析其应用与可靠性问题。
表4 三种键合引线物理参数较量
Tab.4 Comparison of physical parameters of three bonding wires
质料 | Au | Al | Cu |
弹性模量（GPa） | 78 | 50 | 110-140 |
电阻率（nΩ·m） | 24 | 28.3 | 17.5 |
热导率（W/（m·K）） | 318 | 221 | 400 |
CTE（10^(-6）K） | 14.2 | 23 | 17.7 |
密度（g·cm^(-3)） | 19.2 | 2.7 | 8.9 |
熔点（℃） | 1064.18 | 660 | 1083 |
氧化物熔点（℃） | 不易氧化 | 2054 | 1326 |
从表格我们可以看出，金线的各方面参数较其它两种质料更为优异，却由于价钱劣势而不得不寻找替换品 ；虽然古板的铜线相比于金线也有着许多劣势：外貌易氧化、存储时间更短、硬度较高、可键合性能较差、恒久可靠性比金线更差，但其在热导率、电阻率以及价钱上有着更高的优势，这使得铜线很有时机取代金线。硬度大与易氧化是铜线取代金线的两大障碍，这严重影响封装可靠性[19]，可是只要战胜了这些问题，在质料上面的本钱将大大降低 ；关于铝线来说，其材质较软，工艺简朴，物理性子优越，价钱很低，被普遍使用于种种电子器件中。
其中金线普遍应用于热压键合和热压超声键合，其球焊速率快、可靠性高，知足一样平常芯片的键合需求，适用于分立器件与通俗IC。烧球是否牢靠是金线球键合可靠性的主要指标，通过试验发明金线球焊在空气中焊点圆度高，铝线、铜线球焊由于外貌氧化的影响，其加热易氧化成一层硬的氧化膜阻碍球的形成，空气中焊点圆度较差，因此，金线是最适合球焊的质料。
由于铝在温度高的情形下容易反应形成响应氧化物，严重破损键合的稳固性与牢靠性，极易失效，而超声键合的事情条件一样平常都是在室温下，或许率降低失效爆发，较量适合铝线键合。铝线主要应用于IC、功率器件等。粗铝线键合手艺是一种大功率键合手艺，由于其在键合历程中不与芯片上的铝垫爆发金属间化合物，因此在某些细密仪器或高可靠流域中获得普遍应用。超声键合适合键合对温度要求严酷的MOS器件、电子表芯、微波和高频电子器件，同时也适合大功率器件陶瓷封装的IC和混淆电路的键合。
铜线相较于金线价钱更低，因此在许多器件的焊线使用逐步转向铜线。另外，铜和铝金属间化合物扩散速率远小于金和铝，禁止易造成失效情形的爆发，这也是用铜线取代金线的一个主要缘故原由。
3.3 键合引线的形状对键合的影响
温度转变时爆发的热应力会凭证键合引线的形状有所差别，因此有相关研究提出通过优化键合引线的形状来提高键合的可靠性。
图 8 楔形键合焊点形状较量[20]
Fig.8 Comparison of the solder joint shapes of wedge bonding
Arian Grams等人提出通过改变楔形焊点的结构来提高键合可靠性，其使用激光对焊点举行差别形式的切割，经由一准时间的冷热攻击试验划分较量如图8四种结构的可靠性，试验批注形成自力楔状的D结构可靠性相关于其它三种要更好。另外，Arian Grams对键合金属线径与键合可靠性之间的关系也有一定研究，其通过试验验证了在古板封装工艺流程中，线径越大，造成失效的危害就越高[19-20]。
图 9 楔形焊点长宽较量[21]
Fig.9 Comparison of the length and width of wedge bonding
飞思卡尔半导体有限公司的Huang Weidong研究楔形焊点的形状关于焊点热应力的影响，如图9所示。他通过改变焊点的长度和宽度，由仿真获得最大的应力值，最后发明焊点长度最短的A结构应力值最大，以是他提出在楔形键适时要阻止形成较短的焊点长度[19,21]。
图 10 键合线弯曲水平热应力较量[22]
Fig.10 Thermal stress comparison of the bending degree of bonding wire
北京理工大学的ZHAO Jingyi通过电热力耦合仿真较量了3种差别弯曲水平的键合线所爆发的热应力的巨细情形，如图10所示。剖析得出第二种抛物线形状的键合线的最大Von-mises应力值最小，即这种形状的键合线的可靠性最高[19,22]。
键合引线的形状和长度关于它自身的可靠性来说十分主要，若是控制好其形状能在一定水平上提高封装可靠性。例如，拉得太紧的拱丝可能导致热循环的失效 ；而在其他极端情形下，太大的拱丝可能导致引线弯曲和引线倾倒引起相互短路。
引线高度和拱丝高度的界说稍微有些差别，引线高度是从芯片到拱丝形成历程中引线即将接触劈刀的谁人点的笔直距离，这个点比拱丝的顶部稍低。总拱丝高度是从芯片的顶部到拱丝的顶部来盘算的。图11所示为引线高度和拱丝高度，差别封装的一些典范的拱丝高度见表5。
图11 引线高度和拱丝高度
Fig.11 Schematic diagram of lead height and arch wire height
表5 差别封装形式的拱丝高度
Tab.5 The arch wire height of different packaging forms
TQFP | 6mil（0.15mm）最大 |
TSOP TYPE1 | 6mil（0.15mm）典范 |
MQFP SOIC PDIP | 12mil（0.30mm）典范 |
PLCC | 15mil（0.38mm）典范 |
CSP | 4mil（0.1mm） |
影响引线键合制品率最主要的因素之一是引线拱丝的形成，即在球和楔键合之间引线拱丝的轮廓。在细间距键合工艺中，细且长的引线容易形成不对适的引线拱丝形状，歪扭和塌陷。关于专用器件，一致性的拱丝参数控制和拱丝形状的优化是键合工程师须应对的挑战。若是拱丝高度太高，它可能导致引线塌陷、引线倾倒、靠近第二键合点的角度偏陡以及与陶瓷封装接触。若是拱丝高度较低，它可能导致焊球颈部损伤、被舒展的引线可能在热循环时代失效、引线接触到芯片边沿以及引线接触到引脚框架边沿。因此拱丝高度的控制关于刷新引线键合的制品率及封装的可靠性是必需的。对拱丝高度或拱丝形状有改变的需求时，可以凭证封装的要求，选择合适的拱丝轮廓。如图12所示，当键合焊盘靠近于芯片边沿，并且引线拱丝长度较长时，接纳标准的拱丝轮廓 ；当键合焊盘不靠近于芯片边沿，并且拱丝长度较短时，接纳的拱丝轮廓是一个处置惩罚过的拱丝轮廓。
图12 差别的拱丝轮廓图
Fig.12 Different arch wire outline drawings
3.4 键合引线的选用
产品的性子决议了引线使用的尺寸。事情于高功率的产品接纳的是粗线径铝引线，而引脚数目大且间距小的高频器件则需要选择线径较小的金引线 ；导通电流较小的产品要求使用线径小的金线或铝线，而导通电流较大的产品只能使用粗铝线。虽然，差别引线尺寸的使用也与芯片尺寸、封装尺寸、焊盘尺寸以及引线框架的设计有联系。
随着引线键合手艺的生长以及金线本钱的增添，人们妄想接纳铜线取代金线，但由于铜线材质较硬且其极易氧化的特征，需要在使用前对芯片材质以及键合情形举行考量，阻止在铜线键合中泛起弹坑以及氧化导致产品失效的情形，在这种情形下照旧优先选择接纳金线键合。
键合引线的使用取决于种种因素，但纵然决议了引线的尺寸，也需要装备键合加工参数的配合，不但是施加的压力、超声能量、热量、键适时间等都需要与之匹配，不然引线质量与键合质量都不可获得包管。
（未完待续）
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