引线键合技术发展及键合实效机理分析
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方法的主流，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；超声波键合；集成电路 Progress on Technology of Wire Bonding
Abstract：Wire Bonding holds the leading position of connection ways because of its simple technique，low cost and variety for different packing forms. Discuss and analyz the research progress of wire bonding process,materials,devices and mechanism of ultrasonic wire bonding.The main process parameters and optimization methods were listed. Ball bonding and Wedge bonding are the two fundamental forms of wire bonding.Ultrasonic/thermosinic bonding became the main trend instead of ultrasonic bonding and themosonic bonding because of its low mentioned. The integration of capillaries design, bonding materials and bonding devices is the key of integrated solution of wire bonding.
Key words: Wire bonding;Ball bonding;Wedge bonding;Ultrasonic wire bonding;IC
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，是整个后续封装过程中的关键。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。 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），用热压法将高纯Si和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。
无论是封装行业多年的事实还是权威的预测都表明，引线键合是预见的未来（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连接方式延伸的巨大潜力的有力例证。 引线键合工艺 简介
引线键合
引线键合是芯片和外部封装体之间互连最常见和最有效的连接工艺。
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。
热压键合是引线在热压头的压力下，高温加热（>250度）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，在被焊接元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的描述为：在焊接开始时，金属材料在摩擦力作业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。而接头区的温度升高以及高频振动，又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态。因此，当有共价键性质的金属原子相互接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公用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Tc温度值，大约150度），加热增强了金属原始交界面的原子相互扩散和分子（原子）间作用力，金属的扩散在真个界面上进行，实现金丝的高质量焊接。热超声波键合因其可降低加热温度，提供键合强度，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方法的主流。 基本形式
引线键合有两种基本形式：球键合和楔键合。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。引线键合过程如下：
开始焊接周期----焊第一个焊点----键合头上升送线-----引线成形---焊接第二个焊点----上升至烧球高度----电火花烧球。 常用的焊线方法
热压键合法：热压键合法的机制是低温扩散和塑性流动(Plastic Flow)的结合,使原子发生接触,导致固体扩散键合。键合时承受压力的部位，在一定的时间、温度和压力的周期中，接触的表面就会发生塑性变形(Plastic Deformation)和扩散。塑性变形是破坏任何接触表面所必需的,这样才能使金属的表面之间融合。在键合中,焊丝的变形就是塑性流动。该方法主要用于金丝键合。
压头下降，焊球被锁定在端部中央 在压力、温度的作用下形成连接
压头上升 压头高速运动到第二键合点形成弧形
在压力、温度作用下形成第二点连接 压头上升至一定位置，送出尾丝
夹住引线，拉断尾丝 引燃电弧，形成焊球进入下一键合循环
超声键合法：焊丝超声键合是塑性流动与摩擦的结合。通过石英晶体或磁力控制，把摩擦的动作传送到一个金属传感器(Metal“HORN”)上。当石英晶体上通电时，金属传感器就会伸延；当断开电压时，传感器就会相应收缩。这些动作通过超声发生器发生，振幅一般在4-5个微米。在传感器的末端装上焊具，当焊具随着传感器伸缩前后振动时，焊丝就在键合点上摩擦，通过由上而下的压力发生塑性变形。大部分塑性变形在键合点承受超声能后发生，压力所致的塑变只是极小的一部分，这是因为超声波在键合点上产生作用时，键合点的硬度就会变弱，使同样的压力产生较大的塑变。该键合方法可用金丝或铝丝键合。
定位（第一次键合） 键合
定位（第二次键合） 键合——切断
热超声键合法：这是同时利用高温和超声能进行键合的方法，用于金丝键合。 三种各种引线键合工艺优缺点比较：
特性 可用的丝质及直径 键合丝的切断方法 热压键合法 Au丝 φ15～φ100um 高电压（电弧） 拉断 超声键合法 Au丝，Al丝 Φ10～φ500um 拉断(超声压头) 拉断(送丝压头) 高电压(电弧) 优点 键合牢固，强度高；在略粗糙的表面上也能键合；键合工艺简单 对表面清洁度很敏感；应注意温度对元件的影响 适用于单片式LSI 无需加热；对表面洁净度不十分敏感； 对表面粗糙度敏感；工艺控制复杂 与热压键合法相比，可以在较低温度、较低压力下实现键合 需要加热；与热压法相比工艺控制要复杂些 适用于多芯片LSI的内部布线连接 热超声键合法 Au丝 Φ15～φ100um 高电压（电弧） 拉断 缺点 其他 最适合采用Al丝
引线键合工艺过程
引线键合的工艺过程包括：焊盘和外壳清洁、引线键合机的调整、引线键合、检查。外壳清洁方法现在普遍采用分子清洁方法即等离子清洁或紫外线臭氧清洁。
（1）等离子清洁——该方法采用大功率RF源将气体转变为等离子体，高速气体离子轰击键合区表面，通过与污染物分子结合或使其物理分裂而将污染物溅射除去。所采用的气体一般
为O2、Ar、N2、80%Ar+20%O2，或80%O2+20%Ar。另外O2/N2等离子也有应用，它是有效去除环氧树脂的除气材料。
（2）外线臭氧清洁通过发射184.9ｍｍ和253.7ｍｍ波长的辐射线进行清洁。过程如下：
184.9 nｍ波长的紫外线能打破O2分子链使之成原子态(O+O)，原子态氧又与其它氧分子结合形成臭氧O3。在253.7nｍ波长紫外线作用下臭氧可以再次分解为原子氧和分子氧。水分子可以被打破形成自由的OH-根。所有这些均可以与碳氢化合物反应以生成CO2+H2O，并最终以气体形式离开键合表面。253.7nｍ波长紫外线还能够打破碳氢化合物的分子键以加速氧化过程。尽管上述两种方法可以去除焊盘表面的有机物污染，但其有效性强烈取决于特定的污染物。例如，氧等离子清洁不能提高Au厚膜的可焊性，其最好的清洁方法是O2+Ar 等离子或溶液清洗方法。另外某些污染物，如Cl离子和F离子不能用上述方法去除，因为可形成化学束缚。因此在某些情况还需要采用溶液清洗，如汽相碳氟化合物、去离子水等。
球 键合
球键合时将金线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似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，球直径一般是线直径的2倍~~3倍，紧接着降低劈刀，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形变和原子间相互扩散，并完成第一次键合，然后劈刀运行到第二个键合位置，第二点焊接包括阵脚式焊接和拉尾线，通过劈刀劈刀外壁对金属线施加压力以楔焊的方式完成第二次键合，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度任意角度） 球键合一般采用直径75um以下的细金丝。因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性好，成球性好，一般用于焊盘间距大于100um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. 最终成球的尺寸不超过焊盘尺寸的3/4；是金属直径2.5倍~5.0倍 3. 闭环引线的高度一般为150um，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和水平方向的摇摆。
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内形成焊接，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，与水平的被键合面成30度~60度角度。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