集成电路封装中的引线键合技术
发帖时间：2006-7-29 11:52:56
集成电路封装中的引线键合技术
黄玉财1 程秀兰1 蔡俊荣2
上海交通大学微电子学院
（1. 上海交通大学微电子学院，上海200030 2. 星科金朋（上海）有限公司 201702）
摘要: 在回顾现行的引线键合技术之后,本文主要探讨了集成电路封装中引线键合技术的发展趋势。球形焊接工艺比楔形焊接工艺具有更多的优势，因而获得了广泛使用。传统的前向拱丝越来越难以满足目前封装的高密度要求，反向拱丝能满足非常低的弧高的要求。前向拱丝和反向拱丝工艺相结合，能适应复杂的多排引线键合和多芯片封装结构的要求。不断发展的引线键合技术使得引线键合工艺能继续满足封装日益发展的要求，为封装继续提供低成本解决方案。
关键词: 引线键合；球形焊接；楔形焊接；反向键合
分类号：TN305 文献标志码：B
Wire Bonding Technology in IC Packaging
Huang Yucai1 Cheng Xiulan1 Cai Junrong2
(1. School of Microelectronics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030
After reviewing current wire bonding technology, wire bonding technology development trends are discussed. Ball bonding has more advantages than wedge bonding, so that it is widely used in IC Packaging. Traditional forward looping technology is becoming hard to meet high-density requirements of IC Packaging, and reverse looping can comparatively achieve very low loop height. Integrated forward looping and reverse looping, complex multi layer wire bonding and multi chip packaging can be achieved. Summarily, with continuously developing wire bonding technology, it can meet advanced packaging requirement and provide a low cost solution for packaging.
Key words: Wire Bonding; Ball Bonding; Wedge Bonding; Reverse Bonding
IC封装的发展主要经历了以下四个阶段：
（1） 70年代：通孔安装器件。以DIP和PGA为代表。
（2） 80年代：表面贴装器件。以PLCC(QFJ)和QFP为主。
（3） 90年代中前期：球栅阵列式封装BGA（Ball Grid Array）。典型的BGA以有机衬底（如BT）代替了传统封装内的引线框架，且通过多层板布线技术实现焊点在器件下面的阵列平面分布，既减轻了引脚间距不断下降在贴装上面所遇到的阻力，同时又实现了封装、组装密度的大大增加，因而很快获得了大面积的推广且在产业中的应用急剧增长。
（4）90年代后期：倒装焊接(Flip chip) 和芯片尺寸封装CSP (Chip Scale Package)。倒装焊接技术由IBM公司在60年代引入，开始使用的是铜凸点，后发展为在芯片上制备高铅焊料凸点再将芯片正面朝下直接贴在衬底上，使用回流焊接实现多个焊点的一次性组装，大大提高了生产效率（当时的金线球焊机焊接速度较慢）。同时由于引线电阻小，寄生电容小，因而获得了优异的性能特别是高频性能。但是由于价格和工艺复杂性等原因，该技术一直未获得广泛使用。与此同时，另一技术CSP开始出现，并很快发展成为90年代以来最引人注目的封装形式，该封装形式很快成为了封装形式的主流。
总之，封装技术正在进行以下演变：由边缘引脚的DIP走向QFP、TCP再朝向CSP发展；底面引脚的PGA则向PBGA、TBGA向CSP发展。两条路殊途同归一致共同走向CSP这种多引脚小面积的封装形式。
虽然目前已经开发出Flip Chip、WLP（Wafer Level Package）等先进的封装形式，但是由于这些封装成本过于昂贵，目前还较少应用在市场产品上。当前的封装形式仍然是引线框架的封装形式占据了最大的份额，但是基板（substrate）的封装形式（如FBGA， PBGA等）数量有了很大的提高。一些引线框架封装产品为了提高系统性能已经转为基板的封装形式。
目前封装形式一方面朝着高性能的方向发展，另一方面朝着轻薄短小的方向发展。这个趋势促进了封装工艺的发展，对封装工艺晶圆研磨、晶圆粘贴、引线键合、模塑（Mold）都提出了新的要求。 其中引线键合是很关键的工艺，键合的质量好坏直接关系到整个封装器件的性能和可靠性，引线键合技术也直接影响到封装的总厚度。目前先进的封装技术，如多芯片封装和系统级封装（SiP）都对引线键合技术有着很高的要求。
传统的封装尺寸比较大，因而引线键合所使用的线的直径比较大，线弧也比较高，一般在150～250um之间。为了实现在更小的封装体积内提高封装密度，实现更多的功能，就需要控制引线键合的线弧。线弧高度是引线键合的一个重要的指标，线弧和引线键合参数、引线性能、引线框架的设计都有关系。
引线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架(或者基板)连接起来的过程。有两种引线键合技术：球形焊接（ball bonding）和楔形焊接（wedge bonding）。对这两种引线键合技术，基本的步骤包括：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：球形焊接中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球（Free Air Ball，FAB），然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点；对于楔形焊接，引线在压力和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。
2.1 楔形焊接工艺流程
传统的楔形焊接仅仅能在线的平行方向形成焊点。 旋转的楔形劈刀能使楔压焊线机适合不同角度的焊线，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。在使用金线的情况下，稳定的楔形焊接能实现角度小于35度的引线焊接。
图1. 楔形焊接步骤
Fig.1 Wedge Bonding Process Flow
因为球形焊接能从第一焊点形成不同角度的线弧，不要求转动轴。焊球头在X、Y、Z三个方向进行移动。楔形焊线机的劈刀进行的旋转运动需要马达和额外的部件。移动的部件比典型的球形焊线机的引线键合头大的多，这样移动速度就慢得多。目前球形焊接的速度已经是最快的楔形焊线机的两倍以上。引线键合要求高速度、低成本和灵活的拱丝（Loop）能力，因此目前球形焊接是最普遍采用的引线键合方式。楔形焊接在一些特殊的工艺流程应用下是一个很好的技术补充。
2.2球形焊接工艺流程
基本的球形焊接工艺包括以下步骤：第一点焊接（通常在芯片表面）è线弧成型è第二点焊接（通常在引线框架/基板的表面）。 球形焊接的循环如图2所示。
图2：球形焊接步骤
Fig.2 Ball Bonding Process Flow
在球形焊接循环的开始，焊接工具（劈刀）移动到第一点焊接的位置。第一点焊接通过热和超声能量实现在芯片焊盘表面焊接一个圆形的金属球。之后劈刀升高到线弧的顶端位置并移动形成需要的线弧形式。第二点焊接包括针脚式键合（stitch bond）和拉尾线（tail bond）。 第二点焊接之后进行拉尾线是为了形成一尾线（wire tail），是为下一个键合循环金属球的形成做准备。焊接工具（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度。形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭”（Electronic Flame－off，EFO)过程实现的，形成的金属球就是所谓自由空气球（Free Air Ball，FAB）。
因为在第一焊点到第二焊点间的拱丝没有方向的限制，这使得球形焊接拱丝非常灵活。另外球形焊接也能实现非常好的精度控制。对于精确的焊点，焊线机需要能够进行识别和维持精确性，调整视觉系统的光学中心和设备中心的误差。在球形焊接中仅仅需进行X和Y方向的补偿，相对于楔形焊接X、Y、Z方向都要进行控制更具有操作上的优势。
2.3 球形焊接和楔形焊接比较
根据焊接原理（热或者超声能量），焊接工艺可以分为三种： 热压焊（Thermocompression Bonding，T/C）, 超声焊（Ultrasonic Bonding，U/S）和热超声焊（Thermosonic Bonding，T/S）, 如表1所示。可以看出, 热超声焊在工作温度上比较合适, 而且键合效果很好, 适合于目前主流的金线焊接, 因此获得广泛的使用。超声焊的优点在于能在室温下实现焊接, 因此对于铝线楔形焊接是个很好的选择。球形焊接和楔形焊接的相关技术参数如表2所示。
表1. 三种焊线工艺
Table 1 Bonding Technology
焊线原理 压力 温度 超声能量 引线 焊盘
热压焊 高 300-500oC 无 金 铝, 金
超声焊 低 25 oC 有 金, 铝 铝, 金
热超声焊 低 100-150 oC 有 金 铝, 金
表2. 球形焊接和楔形焊接技术参数
Table 2 Technical Parameters of Ball Bonding and Wedge Bonding
焊线方式 焊线原理 焊线工具 引线 焊盘 速度
球形焊接 热压焊, 热超声焊 毛细管劈刀 金 铝，金 10根线/秒(T/S)
楔形焊接 热超声焊,超声焊接 楔形劈刀 金，铝 铝，金 4根线/秒
3.1 焊线工具
引线焊接所使用的焊线工具有两种，楔形焊接所使用的工具叫做楔形劈刀（Wedge）, 通常是钨碳或者钛碳合金，在劈刀尾部有一个呈一定角度的进线孔（如图3）。球形焊线所使用的工具我们称为毛细管劈刀（capillary），它是一种轴形对称的带有垂直方向孔的陶瓷工具（如图4）。劈刀的尺寸影响引线键合质量和生产的稳定性，因此劈刀的选择是非常重要的。
图3. 楔形劈刀 图4：毛细管劈刀
Fig.3 Wedge Head of Wedge Bonding Fig.4 Capillary Head of Ball Bonding
3.2 引线材料
大部分使用在球形焊接上的引线是99.99％纯度的金线，这个通常指4Ns金线。为了满足一些特殊的应用要求，例如高强度，有时候也使用合金线（99.99％或者更低的纯度）。研究表明某一些搀杂物（金线里的其他物质）能降低金和铝的界面层扩散生长的速度。为了提高封装系统的可靠性，有时候考虑使用3Ns 和2Ns 金线。金线主要分为两种：掺杂金线和合金化金线。掺杂金线比4Ns金线具有更好的机械性能；合金化金线具有更好的强度，但是会损失一定的电性能。
需要特别考虑的是焊线工艺的热影响区域（Heat－Affected Zone，HAZ）的长度，这个和EFO时产生的热量导致的金属再结晶过程有关。这个HAZ通常会使线变得脆弱。通常具有长HAZ的金线会使用在高的线弧中。 一些低线弧应用要求使用高强度和低HAZ的金线。低 HAZ的金线能提高拱丝能力，能满足更低线弧的要求。
铜线也能作为一种焊线材料使用，这主要是由于铜线的成本比金线低得多，而且在引线歪斜方面也有不错的表现, 因此受到很大的关注, 并取得了很大的发展。但是需要对焊线设备进行一些改进。改进措施主要包括形成一种气体环境来防止铜在空气中形成金属球的时候被氧化。另外，铜线焊接的主要问题在于焊接能力, 铜比金和铝的硬度大, 这导致了在键合点容易发生裂痕。金和铜键合的时候都是在一定温度（通常150˚ 到240˚C）条件下进行热超声焊（即T/S）。
楔形焊接能在升高温度的情况在进行金线焊接，也能在室温下进行铝线焊接。大部分在楔形焊接中使用的小直径铝线成份中含有1%Si, 这样能增强铝线的强度。铝线焊接对于一些场合的应用比较有吸引力，因为它在室温下可以进行焊接，并且没有可能导致可靠性问题的金铝扩散层。
引线直径的大小对焊点的可靠性和线弧有着很密切的关系。 目前生产上主要使用的线径在0.8~1.2mil 之间（20~30um）。一般来说，线径越小弧高和间距理论上也就能控制的越小，但是线径小了，模塑过程中引线对模塑材料流程的抗冲击性能会有所下降，容易造成引线歪斜，严重时会导致短路。
4．引线键合线弧技术
有两种基本的拱丝类型： 前向拱丝(Forward Loop)和反向拱丝(Reverse Loop)。前向拱丝工艺打第一焊点在芯片焊盘上，然后在引线框架上进行第二焊点。反向拱丝与前者不同，先在芯片焊盘上打一个凸点（Bump），在形成凸点之后，在基板上进行球焊，然后在凸点上进行针脚式键合（stitch bond）。 低线弧的要求促进了反向拱丝的发展，虽然它比正常的前向拱丝效率低一些。
目前通常的线弧方式都是前向拱丝方式，但是对于一些高级的封装形式，前向拱丝方式不能满足越来越高的要求，为此就需要使用反向拱丝方式。下面我们具体分析两种拱丝方式的特性和区别。
4.1 前向拱丝
前向拱丝需要在球形键合位置有较高的线弧高度以保证与下面的引线之间足够的间距。传统的前向拱丝键合工艺由于操作时间最短而受到欢迎，但是它并不适用于超低线弧的情况。金线HAZ区域在球形焊点之上，如果拱丝过低，线弧容易在球形键合的颈部断裂，会造成金线拉拔强度过低，甚至导致封装可靠性不良，因此一般的正向拱丝线弧的高度比较高（大于100um）。
为了使得传统的拱丝能满足低线弧的要求，开发出了一些新的拱丝技术，通过调整线弧形状的办法来避免反向动作可以起到一定的作用，如假压皱F2 和F2（前折拱丝）压皱。另外可以通过加强反向动作，弯曲第一次键合位置的顶部为最终的线弧来行程一个高度较低的起点，这样可以制作超低线弧，但是形成这种线弧需要劈刀进行额外的动作，降低了引线键合的效率。虽然这种线弧可以消除颈部断裂的可能性，但是代价是牺牲了第一次键合点的抗拉强度。
4.2 反向拱丝
另一种线弧成型的选择是反向键合或者针脚支撑键合（SSB）线弧，这属于反向拱丝技术。如图5所示的是SSB-2反向拱丝形式。由于工艺过程最慢，反向拱丝线弧在量产中很少被采用，表3给出了线弧的能力比较。另外，将引线反向键合到芯片表面上也会产生引线与芯片边缘和上层引线之间的间距问题。为了解决与芯片边缘的间距问题，可以采用改进凸点的方法，即首先在芯片键合焊盘上制作出凸点来提高线弧的高度。
图5. SSB-2（反向键合）
Fig.5 SSB-2 Reverse Bonding
表3. 不同线弧能力比较
Table 3. Comparison Among Various Looping Technology
线弧类型 最小弧高 生产能力 悬焊能力
常规前向拱丝 >100um 最快 好
超低拱丝（Ultra Low Loop，ULL） <90um 最快 好
前折拱丝 （假压皱） <70um 较慢 (比前向拱丝慢10-15%) 好
前折拱丝 （压皱） <50um 较慢 （比前向拱丝慢10-15%） 差
反向焊接拱丝 <50um 最慢 (比前向拱丝慢25-45%) 差
线弧技术的发展，尤其是超低线弧的实现，使得堆叠式芯片和多排引线键合的设计和应用成为可能。前向拱丝和反向拱丝技术的结合使用，能设计出多种堆叠式芯片的结构，满足高性能封装的要求。
参考文献：
作者简介
黄玉财，男，1978.9，工程硕士，上海交通大学微电子学院学生。电话：13584868419， Email： yucai.huang#gmail.com
程秀兰，女，1971.12，副教授，上海交通大学微电子学院，主要研究方向：先进微电子器件与工艺，先进微电子封装设计与技术，Email: chengxiulan#ic.ic.sjtu.edu.cn。
蔡俊荣，男，1979.1，资深工程师，星科金朋（上海）有限公司。
联系人：程秀兰 电话：021-28144952 Email: Chengxiulan#ic.sjtu.edu.cn
地址：上海市华山路浩然科技大厦7楼 （上海交通大学微电子学院） 200030
集成电路封装中的引线键合技术
黄玉财1 程秀兰1 蔡俊荣2
上海交通大学微电子学院
（1. 上海交通大学微电子学院，上海200030 2. 星科金朋（上海）有限公司 201702）
摘要: 在回顾现行的引线键合技术之后,本文主要探讨了集成电路封装中引线键合技术的发展趋势。球形焊接工艺比楔形焊接工艺具有更多的优势，因而获得了广泛使用。传统的前向拱丝越来越难以满足目前封装的高密度要求，反向拱丝能满足非常低的弧高的要求。前向拱丝和反向拱丝工艺相结合，能适应复杂的多排引线键合和多芯片封装结构的要求。不断发展的引线键合技术使得引线键合工艺能继续满足封装日益发展的要求，为封装继续提供低成本解决方案。
关键词: 引线键合；球形焊接；楔形焊接；反向键合
分类号：TN305 文献标志码：B
Wire Bonding Technology in IC Packaging
Huang Yucai1 Cheng Xiulan1 Cai Junrong2
(1. School of Microelectronics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030
- STATS ChipPAC Shanghai Co., Ltd, Shanghia, 201702)
After reviewing current wire bonding technology, wire bonding technology development trends are discussed. Ball bonding has more advantages than wedge bonding, so that it is widely used in IC Packaging. Traditional forward looping technology is becoming hard to meet high-density requirements of IC Packaging, and reverse looping can comparatively achieve very low loop height. Integrated forward looping and reverse looping, complex multi layer wire bonding and multi chip packaging can be achieved. Summarily, with continuously developing wire bonding technology, it can meet advanced packaging requirement and provide a low cost solution for packaging.
Key words: Wire Bonding; Ball Bonding; Wedge Bonding; Reverse Bonding
- 封装技术简介
IC封装的发展主要经历了以下四个阶段：
（1） 70年代：通孔安装器件。以DIP和PGA为代表。
（2） 80年代：表面贴装器件。以PLCC(QFJ)和QFP为主。
（3） 90年代中前期：球栅阵列式封装BGA（Ball Grid Array）。典型的BGA以有机衬底（如BT）代替了传统封装内的引线框架，且通过多层板布线技术实现焊点在器件下面的阵列平面分布，既减轻了引脚间距不断下降在贴装上面所遇到的阻力，同时又实现了封装、组装密度的大大增加，因而很快获得了大面积的推广且在产业中的应用急剧增长。
（4）90年代后期：倒装焊接(Flip chip) 和芯片尺寸封装CSP (Chip Scale Package)。倒装焊接技术由IBM公司在60年代引入，开始使用的是铜凸点，后发展为在芯片上制备高铅焊料凸点再将芯片正面朝下直接贴在衬底上，使用回流焊接实现多个焊点的一次性组装，大大提高了生产效率（当时的金线球焊机焊接速度较慢）。同时由于引线电阻小，寄生电容小，因而获得了优异的性能特别是高频性能。但是由于价格和工艺复杂性等原因，该技术一直未获得广泛使用。与此同时，另一技术CSP开始出现，并很快发展成为90年代以来最引人注目的封装形式，该封装形式很快成为了封装形式的主流。
总之，封装技术正在进行以下演变：由边缘引脚的DIP走向QFP、TCP再朝向CSP发展；底面引脚的PGA则向PBGA、TBGA向CSP发展。两条路殊途同归一致共同走向CSP这种多引脚小面积的封装形式。
虽然目前已经开发出Flip Chip、WLP（Wafer Level Package）等先进的封装形式，但是由于这些封装成本过于昂贵，目前还较少应用在市场产品上。当前的封装形式仍然是引线框架的封装形式占据了最大的份额，但是基板（substrate）的封装形式（如FBGA， PBGA等）数量有了很大的提高。一些引线框架封装产品为了提高系统性能已经转为基板的封装形式。
目前封装形式一方面朝着高性能的方向发展，另一方面朝着轻薄短小的方向发展。这个趋势促进了封装工艺的发展，对封装工艺晶圆研磨、晶圆粘贴、引线键合、模塑（Mold）都提出了新的要求。 其中引线键合是很关键的工艺，键合的质量好坏直接关系到整个封装器件的性能和可靠性，引线键合技术也直接影响到封装的总厚度。目前先进的封装技术，如多芯片封装和系统级封装（SiP）都对引线键合技术有着很高的要求。
- 引线键合工艺
传统的封装尺寸比较大，因而引线键合所使用的线的直径比较大，线弧也比较高，一般在150～250um之间。为了实现在更小的封装体积内提高封装密度，实现更多的功能，就需要控制引线键合的线弧。线弧高度是引线键合的一个重要的指标，线弧和引线键合参数、引线性能、引线框架的设计都有关系。
引线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架(或者基板)连接起来的过程。有两种引线键合技术：球形焊接（ball bonding）和楔形焊接（wedge bonding）。对这两种引线键合技术，基本的步骤包括：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：球形焊接中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球（Free Air Ball，FAB），然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点；对于楔形焊接，引线在压力和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。
2.1 楔形焊接工艺流程
传统的楔形焊接仅仅能在线的平行方向形成焊点。 旋转的楔形劈刀能使楔压焊线机适合不同角度的焊线，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。在使用金线的情况下，稳定的楔形焊接能实现角度小于35度的引线焊接。
图1. 楔形焊接步骤
Fig.1 Wedge Bonding Process Flow
因为球形焊接能从第一焊点形成不同角度的线弧，不要求转动轴。焊球头在X、Y、Z三个方向进行移动。楔形焊线机的劈刀进行的旋转运动需要马达和额外的部件。移动的部件比典型的球形焊线机的引线键合头大的多，这样移动速度就慢得多。目前球形焊接的速度已经是最快的楔形焊线机的两倍以上。引线键合要求高速度、低成本和灵活的拱丝（Loop）能力，因此目前球形焊接是最普遍采用的引线键合方式。楔形焊接在一些特殊的工艺流程应用下是一个很好的技术补充。
2.2球形焊接工艺流程
基本的球形焊接工艺包括以下步骤：第一点焊接（通常在芯片表面）è线弧成型è第二点焊接（通常在引线框架/基板的表面）。 球形焊接的循环如图2所示。
图2：球形焊接步骤
Fig.2 Ball Bonding Process Flow
在球形焊接循环的开始，焊接工具（劈刀）移动到第一点焊接的位置。第一点焊接通过热和超声能量实现在芯片焊盘表面焊接一个圆形的金属球。之后劈刀升高到线弧的顶端位置并移动形成需要的线弧形式。第二点焊接包括针脚式键合（stitch bond）和拉尾线（tail bond）。 第二点焊接之后进行拉尾线是为了形成一尾线（wire tail），是为下一个键合循环金属球的形成做准备。焊接工具（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度。形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭”（Electronic Flame－off，EFO)过程实现的，形成的金属球就是所谓自由空气球（Free Air Ball，FAB）。
因为在第一焊点到第二焊点间的拱丝没有方向的限制，这使得球形焊接拱丝非常灵活。另外球形焊接也能实现非常好的精度控制。对于精确的焊点，焊线机需要能够进行识别和维持精确性，调整视觉系统的光学中心和设备中心的误差。在球形焊接中仅仅需进行X和Y方向的补偿，相对于楔形焊接X、Y、Z方向都要进行控制更具有操作上的优势。
2.3 球形焊接和楔形焊接比较
根据焊接原理（热或者超声能量），焊接工艺可以分为三种： 热压焊（Thermocompression Bonding，T/C）, 超声焊（Ultrasonic Bonding，U/S）和热超声焊（Thermosonic Bonding，T/S）, 如表1所示。可以看出, 热超声焊在工作温度上比较合适, 而且键合效果很好, 适合于目前主流的金线焊接, 因此获得广泛的使用。超声焊的优点在于能在室温下实现焊接, 因此对于铝线楔形焊接是个很好的选择。球形焊接和楔形焊接的相关技术参数如表2所示。
表1. 三种焊线工艺
Table 1 Bonding Technology
焊线原理 压力 温度 超声能量 引线 焊盘
热压焊 高 300-500oC 无 金 铝, 金
超声焊 低 25 oC 有 金, 铝 铝, 金
热超声焊 低 100-150 oC 有 金 铝, 金
表2. 球形焊接和楔形焊接技术参数
Table 2 Technical Parameters of Ball Bonding and Wedge Bonding
焊线方式 焊线原理 焊线工具 引线 焊盘 速度
球形焊接 热压焊, 热超声焊 毛细管劈刀 金 铝，金 10根线/秒(T/S)
楔形焊接 热超声焊,超声焊接 楔形劈刀 金，铝 铝，金 4根线/秒
- 引线键合材料
3.1 焊线工具
引线焊接所使用的焊线工具有两种，楔形焊接所使用的工具叫做楔形劈刀（Wedge）, 通常是钨碳或者钛碳合金，在劈刀尾部有一个呈一定角度的进线孔（如图3）。球形焊线所使用的工具我们称为毛细管劈刀（capillary），它是一种轴形对称的带有垂直方向孔的陶瓷工具（如图4）。劈刀的尺寸影响引线键合质量和生产的稳定性，因此劈刀的选择是非常重要的。
图3. 楔形劈刀 图4：毛细管劈刀
Fig.3 Wedge Head of Wedge Bonding Fig.4 Capillary Head of Ball Bonding
3.2 引线材料
大部分使用在球形焊接上的引线是99.99％纯度的金线，这个通常指4Ns金线。为了满足一些特殊的应用要求，例如高强度，有时候也使用合金线（99.99％或者更低的纯度）。研究表明某一些搀杂物（金线里的其他物质）能降低金和铝的界面层扩散生长的速度。为了提高封装系统的可靠性，有时候考虑使用3Ns 和2Ns 金线。金线主要分为两种：掺杂金线和合金化金线。掺杂金线比4Ns金线具有更好的机械性能；合金化金线具有更好的强度，但是会损失一定的电性能。
需要特别考虑的是焊线工艺的热影响区域（Heat－Affected Zone，HAZ）的长度，这个和EFO时产生的热量导致的金属再结晶过程有关。这个HAZ通常会使线变得脆弱。通常具有长HAZ的金线会使用在高的线弧中。 一些低线弧应用要求使用高强度和低HAZ的金线。低 HAZ的金线能提高拱丝能力，能满足更低线弧的要求。
铜线也能作为一种焊线材料使用，这主要是由于铜线的成本比金线低得多，而且在引线歪斜方面也有不错的表现, 因此受到很大的关注, 并取得了很大的发展。但是需要对焊线设备进行一些改进。改进措施主要包括形成一种气体环境来防止铜在空气中形成金属球的时候被氧化。另外，铜线焊接的主要问题在于焊接能力, 铜比金和铝的硬度大, 这导致了在键合点容易发生裂痕。金和铜键合的时候都是在一定温度（通常150˚ 到240˚C）条件下进行热超声焊（即T/S）。
楔形焊接能在升高温度的情况在进行金线焊接，也能在室温下进行铝线焊接。大部分在楔形焊接中使用的小直径铝线成份中含有1%Si, 这样能增强铝线的强度。铝线焊接对于一些场合的应用比较有吸引力，因为它在室温下可以进行焊接，并且没有可能导致可靠性问题的金铝扩散层。
引线直径的大小对焊点的可靠性和线弧有着很密切的关系。 目前生产上主要使用的线径在0.8~1.2mil 之间（20~30um）。一般来说，线径越小弧高和间距理论上也就能控制的越小，但是线径小了，模塑过程中引线对模塑材料流程的抗冲击性能会有所下降，容易造成引线歪斜，严重时会导致短路。
4．引线键合线弧技术
有两种基本的拱丝类型： 前向拱丝(Forward Loop)和反向拱丝(Reverse Loop)。前向拱丝工艺打第一焊点在芯片焊盘上，然后在引线框架上进行第二焊点。反向拱丝与前者不同，先在芯片焊盘上打一个凸点（Bump），在形成凸点之后，在基板上进行球焊，然后在凸点上进行针脚式键合（stitch bond）。 低线弧的要求促进了反向拱丝的发展，虽然它比正常的前向拱丝效率低一些。
目前通常的线弧方式都是前向拱丝方式，但是对于一些高级的封装形式，前向拱丝方式不能满足越来越高的要求，为此就需要使用反向拱丝方式。下面我们具体分析两种拱丝方式的特性和区别。
4.1 前向拱丝
前向拱丝需要在球形键合位置有较高的线弧高度以保证与下面的引线之间足够的间距。传统的前向拱丝键合工艺由于操作时间最短而受到欢迎，但是它并不适用于超低线弧的情况。金线HAZ区域在球形焊点之上，如果拱丝过低，线弧容易在球形键合的颈部断裂，会造成金线拉拔强度过低，甚至导致封装可靠性不良，因此一般的正向拱丝线弧的高度比较高（大于100um）。
为了使得传统的拱丝能满足低线弧的要求，开发出了一些新的拱丝技术，通过调整线弧形状的办法来避免反向动作可以起到一定的作用，如假压皱F2 和F2（前折拱丝）压皱。另外可以通过加强反向动作，弯曲第一次键合位置的顶部为最终的线弧来行程一个高度较低的起点，这样可以制作超低线弧，但是形成这种线弧需要劈刀进行额外的动作，降低了引线键合的效率。虽然这种线弧可以消除颈部断裂的可能性，但是代价是牺牲了第一次键合点的抗拉强度。
4.2 反向拱丝
另一种线弧成型的选择是反向键合或者针脚支撑键合（SSB）线弧，这属于反向拱丝技术。如图5所示的是SSB-2反向拱丝形式。由于工艺过程最慢，反向拱丝线弧在量产中很少被采用，表3给出了线弧的能力比较。另外，将引线反向键合到芯片表面上也会产生引线与芯片边缘和上层引线之间的间距问题。为了解决与芯片边缘的间距问题，可以采用改进凸点的方法，即首先在芯片键合焊盘上制作出凸点来提高线弧的高度。
图5. SSB-2（反向键合）
Fig.5 SSB-2 Reverse Bonding
表3. 不同线弧能力比较
Table 3. Comparison Among Various Looping Technology
线弧类型 最小弧高 生产能力 悬焊能力
常规前向拱丝 >100um 最快 好
超低拱丝（Ultra Low Loop，ULL） <90um 最快 好
前折拱丝 （假压皱） <70um 较慢 (比前向拱丝慢10-15%) 好
前折拱丝 （压皱） <50um 较慢 （比前向拱丝慢10-15%） 差
反向焊接拱丝 <50um 最慢 (比前向拱丝慢25-45%) 差
线弧技术的发展，尤其是超低线弧的实现，使得堆叠式芯片和多排引线键合的设计和应用成为可能。前向拱丝和反向拱丝技术的结合使用，能设计出多种堆叠式芯片的结构，满足高性能封装的要求。
- 总结
参考文献：
- 谢晓明，高密度电子封装的最新进展和发展趋势. http://tech.smt.cn
- Ivy Wei Qin, Wire Bonding: the Preferred Interconnect Method. ChipScale Review, November - December 2002
- Ivy Wei Qin，Wire Bonding Tutorial. Advanced Packaging July, 2005
- Salim (Sam) L. Khoury, David J. Burkhard, David P. Galloway and Thomas A. Scharr, A Comparison of Copper and Gold Wire Bonding on Integrated Circuit Devices. 0569-5503/90/0000-0768 lEEE: 768-776
- Stephen Tang，Gary Gillotti，多排引线键合封装中的引线线弧成型， Kulicke & Soffa，Semiconductor International 2005.11(8): 40-43
作者简介
黄玉财，男，1978.9，工程硕士，上海交通大学微电子学院学生。电话：13584868419， Email： yucai.huang#gmail.com
程秀兰，女，1971.12，副教授，上海交通大学微电子学院，主要研究方向：先进微电子器件与工艺，先进微电子封装设计与技术，Email: chengxiulan#ic.ic.sjtu.edu.cn。
蔡俊荣，男，1979.1，资深工程师，星科金朋（上海）有限公司。
联系人：程秀兰 电话：021-28144952 Email: Chengxiulan#ic.sjtu.edu.cn
地址：上海市华山路浩然科技大厦7楼 （上海交通大学微电子学院） 200030
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