引线键合技术进展晁宇晴1,2,杨兆建1,乔海灵2(1.太原理工大学,山西 太原 030024;2.中国电子科技集团公司第二研究所,山西 太原 030024)摘 要:引线键合以工艺简单、成本低廉、适合多种封装形式而在连接方式中占主导地位。
对引线键合工艺、材料、设备和超声引线键合机理的研究进展进行了论述与分析,列出了主要的键合工艺参数和优化方法,球键合和楔键合是引线键合的两种基本形式,热压超声波键合工艺因其加热温度低、键合强度高、有利于器件可靠性等优势而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流,提出了该技术的发展趋势,劈刀设计、键合材料和键合设备的有效集成是获得引线键合完整解决方案的关键。
关键词:引线键合;球键合;楔键合;超声键合;集成电路中图分类号:T N305 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2007)04-0205-06 Progress on Technology of W i re Bondi n gCHAO Y u-q i n g1,2,YANG Zhao-ji a n1,Q I AO Ha i-li n g2(1.Ta i yuan Un i versity of Technology,Ta i yuan 030024,Ch i n a2.CETC No.2Research I n stitute,Ta i yuan 030024,Ch i n a)Abstract:W ire bonding holds the leading positi on of connecti on ways because of its si m p le tech2 niques,l ow cost and variety f or different packaging f or m s.D iscuss and analyz the research p r ogress of wire bonding p r ocess,materials,devices and mechanis m of ultras onic wire bonding.The main p r ocess para me2 ters and op ti m izati on methods were listed.Ball bonding and W edge bonding are the t w o funda mental f or m s of wire bonding.U ltras onic/ther mos onic bonding beca me the main trend instead of ultras onic bonding and ther mos onic bonding because of its l ow heating te mperature,high bonding strength and reliability.A de2 vel opment tendency of wire bonding was menti oned.The integrati on of cap illaries design,bonding materi2 als and bonding devices is the key of integrated s oluti on of wire bonding.Key words:W ire bonding;Ball bonding;W edge bonding;U ltras onic wire bonding;I CD ocu m en t Code:A Arti cle I D:1001-3474(2007)04-0205-06 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]。
引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接。
引线键合前,先从金属带材上截取引线框架材料(外引线),用热作者简介:晁宇晴(1975-),女,工程硕士,工程师,主要从事电子专用设备的研制与开发工作。
502第28卷第4期2007年7月 电子工艺技术Electr onics Pr ocess Technol ogy压法将高纯Si或Ge的半导体元件压在引线框架上所选好的位置,并用导电树脂如银浆料在引线框架表面涂上一层或在其局部镀上一层金;然后借助特殊的键合工具用金属丝将半导体元件(电路)与引线框架键合起来,键合后的电路进行保护性树脂封装[2]。
无论是封装行业多年的事实还是权威的预测都表明,引线键合在可预见的未来(目前到2020年)仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方式。
基于引线键合工艺的硅片凸点生成可以完成倒装芯片的关键步骤并且具有相对于常规工艺的诸多优势,是引线键合长久生命力和向新兴连接方式延伸的巨大潜力的有力例证。
1 引线键合工艺1.1 简介引线键合工艺可分为三种:热压键合,超声波键合与热压超声波键合[3～5]。
热压键合是引线在热压头的压力下,高温加热(>250℃)焊丝发生形变,通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法。
键合时,被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。
金属受压后产生一定的塑性变形,而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围,两种金属原子产生相互扩散,形成牢固的焊接。
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。
这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为:在焊接开始时,金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动,为纯净金属表面间的接触创造了条件。
而接头区的温升以及高频振动,又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态[6]。
因此,当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时,就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥,即实现了所谓金属“键合”过程。
超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料,对被焊件的理化性能无影响,也不会形成任何化合物而影响焊接强度,且具有焊接参数调节灵活,焊接范围较广等优点。
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。
就是在超声波键合的基础上,采用对加热台和劈刀同时加热的方式,加热温度较低(低于T c温度值,大约150℃),加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子)间作用力,金属的扩散在整个界面上进行,实现金丝的高质量焊接。
热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流。
1.2 基本形式引线键合有两种基本形式:球键合与楔键合[7～8]。
这两种引线键合技术的基本步骤包括:形成第一焊点(通常在芯片表面),形成线弧,最后形成第二焊点(通常在引线框架/基板上)。
两种键合的不同之处在于:球键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球,然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点,而楔键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。
引线键合过程如图1所示。
图1 引线键合过程1.2.1 球键合球键合时将金丝穿过键合机劈刀毛细管,到达其顶部,利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花以熔化金属丝在劈刀外的伸出部分,在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形,球直径一般是线径的2倍～3倍,紧接着降下劈刀,在适当的压力和定好的时间内将金球压在电极或芯片上。
键合过程中,通过劈刀向金属球施加压力,同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散,并完成第1次键合,然后劈刀运动到第2个键合位置,第二点焊接包括针脚式焊接和拉尾线,通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔焊的方式完成第2次键合,焊接之后拉尾线是为下一个键合循环金属球的形成作准备。
劈刀升高到合适的高度以控制尾线长度,这时尾端断裂,然后劈刀上升到形成球的高602 电子工艺技术 第28卷第4期度。
形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭”过程实现的,所形成的球即为自由空气球。
球焊是一种全方位的工艺(即第二次焊接可相对第一次球焊360°任意角度)。
球键合一般采用直径75μm以下的细金丝。
因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成球性好。
一般用于焊盘间距大于100μm的情况下。
球键合工艺设计原则:(1)球的初始直径为金属丝直径的2倍～3倍。
应用于精细间距时为1.5倍,焊盘较大时为3倍～4倍;(2)最终成球尺寸不超过焊盘间尺寸的3/4,是金属丝直径的2.5倍～5.0倍;(3)闭环引线高度一般为150μm,取决于金属丝直径及具体应用;(4)闭环引线长度不应超过金属丝直径的100倍。
键合设备在芯片与引线框架之间牵引金属丝时不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。
1.2.2 楔键合楔键合是用楔形劈刀将热、压力、超声传给金属丝在一定时间形成焊接,焊接过程中不出现焊球。
楔键合工艺中,金属丝穿过劈刀背面的通孔,与水平的被键合表面成30°～60°方向。
在劈刀的压力和超声波能量的作用下,金属丝和焊盘金属的纯净表面接触并最终形成连接。
超声楔焊是一种单一方向焊接工艺(即第二次焊接必须对准第一次焊接的方向)。
传统的楔键合仅仅能在线的平行方向上形成焊点。
旋转的楔形劈刀能使楔压焊线机适合不同角度的焊丝,在完成引线操作后移动到第二焊点之前劈刀旋转到程序规定的角度。
在使用金丝的情况下,稳定的楔键合能实现角度小于35°的引线焊接。
楔键合主要优点是适用于精细间距(如50μm 以下的焊盘间距)低线环形状,可控制引线长度,超声焊接工艺温度低。
常见楔键合工艺是室温下的A l丝超声波键合,其成本和键合温度较低。
而Au 丝采用150℃下的热压超声波键合,其主要优点是键合后不需要密闭封装。
由于楔键合形成的焊点小于球键合,特别适用于微波器件、尤其是大功率器件的封装。
但由于键合工具的旋转运动,其总体速度低于热压超声球键合。
楔键合工艺设计原则:(1)即使键合点只比金属丝直径大2μm～3μm也可能获得高强度连接;(2)焊盘长度要大于键合点的尾丝长度;(3)焊盘的长轴与引线键合路径一致;(4)焊盘间距的设计应保持金属丝之间距离的一致性。
1.3 工艺参数1.3.1 键合温度键合温度指的是外部提供的温度,键合工艺对温度有较高的控制要求。