引线键合
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引线键合(英语:Wire bonding)是一种集成电路封装产业中的工艺之一[1],利用线径15-50微米的金属线材将芯片(chip)及导线架(lead frame)连接起来的技术,使微小的芯片得以与外面的电路做沟通,而不需要增加太多的面积。其他类似的接合技术如覆晶接合(Flip-chip)或卷带式自动接合(Tape-Automated Bonding,缩写:TAB)都已经越趋成熟,虽然覆晶接合逐渐在吞食引线键合的市场,但目前仍以引线键合为最常见的接合技术[2]。
引线键合
无论是何种引线键合的方法,都具有两个焊接点,分别是位于芯片端的第一焊(First bond)及导线架端的第二焊(Second bond)。瓷嘴(capillary)是一种装在打线机上的装置,可让线材穿过其中,类似缝纫机中的针,线材穿过位在打线机台上的瓷嘴,穿出瓷嘴的线材在芯片端经过下压完成第一焊点后,线材就会与芯片上的衬底连结,机器手臂上升将线引出瓷嘴,再将线材移往第二焊点,也就是导线架上的衬底,一边下压一边截断线材,完成一个循环,紧接着再继续下一引线键合的循环。 为了增加接合强度,在第二焊接点处,再压上一颗球,称之为BBOS (Bond Ball on Stitch);或先压上一颗球,再把第二焊接合在球上,称为BSOB(Bond Stitch on Ball)。
瓷嘴
依照不同形状的瓷嘴形状,可将接合方式分为两种,分别为楔型接合(wedge bonding)及球型接合(ball bonding),两者拥有截然不同的第一焊点及第二焊点,因此具有不同的空间特性。
楔型接合
楔型接合是将突出于瓷嘴的线材直接下压至衬底上,由于第一焊的限制,第二焊点的位置被限制在沿着第一焊接脚的方向上,无法如球型接合一样自由,也因为如此,楔型接合的高度通常较球型接合来得小,外观如抛物线一样,焊点宽度约为1.5倍的线径。
球型接合
球型接合则是先经过一个放电工艺,称为放电结球(Electronic flame off, EFO),利用高压电放电,将凸出瓷嘴的线熔化,因为表面张力的关系,金属液体会凝固成一个球状物,此时再下压至衬底上,接着引线向上,经过一个设定好的路径,绕至第二焊点,直接下压将线压断形成第二焊点,此鱼尾形状的第二焊点类似于楔型接合的焊点,常被误认为楔型接合。 由于第一焊点的线材与衬底呈现垂直的角度,因此第二焊点可自由选择位置,不会受到第一焊位置的限制。此工艺含有放电结球的步骤,因此称之为球型接合,其焊点较楔型接合来得大,约2.5-5.0倍的线径。 有时候为了降低球型接合的高度,会将一二焊位置交换,将二焊点接合在芯片上,使线材高度下降,业界称为反打。
接合技术
引线键合发展已经很久,依照接合力的来源可分为三种,分别为热压接合(Thermocompression bonding)、超声波接合(Ultrasonic bonding)及热音波接合(Thermosonic bonding)。
热压接合
贝尔实验室在1957年发展一种物理连接技术,运用加热及加压,配合适合的下压时间,将金属线材连接至单晶线表面,利用此种方法,将金锗两金属接合的温度只需要250℃,较金锗共晶温度356℃来得低[3],因此在早期的引线键合是广泛应用的技术。
超声波接合
由于部分衬底不适合加热,因此1966年发展出另一项技术,在接合的同时导入一超声波,除了接合之外还可协助清洁衬底表面,此种方法可在室温下操作[4],由于不须加热即可达到与热压接合相同的效果,因此逐渐取代热压接合成为主流。
热音波接合
结合两者的优缺点,同时导入热及超声波来接合,称为热音波接合。热音波接合的温度约控制在100-150℃,下压力也远低于超声波接合,可避免下压力过大伤害衬底,亦可避免温度过高形成金属间化合物。
接合材料
金
接合的衬底通常是铝薄膜,早期常用铝线作为接合材料,铝线虽便宜但易氧化,导电性也不是最好的,在封装产业的可靠度要求越来越高的同时,使用不易氧化的贵金属逐渐成为趋势。金线具有良好的导电性及不易氧化的特性,加上其良好的延展性,在微米级线材制作上不易断裂,逐渐取代铝线成为主流。但金线的价格高昂,在低成本及金价飙涨的同时,主流地位逐渐被取代。 金线是以高纯度为主,但还是会添加极为微量的元素增加线材强度,一般来说都还可以维持在4N以上的纯度。
铜
铜线,虽然是易氧化的材料,但其高强度的特性,可将线材制作到更细的线径但维持相同的强度,铜铝生成金属间化合物的速度也是金铝的十分之一[5],金属间化合物是两种金属接触而生成的化合物,会增加物件的电阻并产生热,导致物件更快失效,因此采用铜线可以避免电阻大量升高并增加可靠度。铜线的高强度,可使线材挑战更高难度的连接形状,如封装层叠。 虽然铜线价格低廉,但其易氧化的特性容易使芯片失效,因此在外层镀上一层抗氧化的薄膜逐渐成为主流线材。因此,铜线的发展主要是以镀层线及超高纯度铜线为主流,其中镀层线又以钯金属为最大宗,一般厚度都在100nm以下,通常主打低电阻的半导体封装,因此会使铜线整体电阻上升的合金铜线不被考虑。
银
银线具有与金线接近的机械性质,具有较铜线优良的抗氧化特性,在LED的封装中,其优良的反光特性可增加约10%的光量,逐渐被应用在部分的封装中。银线在放电结球时,可形成非常圆的球,银线与铝衬底的接合效果也非常好,金属间化合物的生成也相对较少[6],可以增加其接合的可靠度。 银线的主流为合金线,银含量越高代表其电阻率越低,而可能会影响其接合品质,但其优异的反光特性,使其较常被应用在LED封装工艺,其电阻率就不是最重要的考量因素,一般来说银合金线的主成分通常为可互溶的银金钯三元素,依比例不同有不同的电阻率及功效。镀层银线也是一种被考虑的线材,通常选用的镀层为金,由于芯部为纯金属银,因此仍保有纯银的超低电阻特性,可提供给各种封装形式使用。
参考资料
- ^ Henkel Taiwan. 引线键合半导体封装. Henkel Taiwan. 台湾汉高股份有限公司. [2023-03-10]. (原始内容存档于2023-03-10).
- ^ George Harman. Wire bonding in microelectronics [微电子引线键合]. USA: McGraw Hill. 2010. ISBN 978-0-07-147623-2 (英语).
- ^ O. L. Anderson, H. Christensen, P. Andreatch. Technique for Connecting Electrical Leads to Semiconductors. Journal of Applied Physics: 923–923. [2018-04-02]. doi:10.1063/1.1722893. (原始内容存档于2019-11-30).
- ^ B. Langenecker. Effects of Ultrasound on Deformation Characteristics of Metals. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. March 1966, 13 (1): 1–8 [2018-04-02]. ISSN 0018-9537. doi:10.1109/t-su.1966.29367. (原始内容存档于2019-11-30).
- ^ C.D. Breach, F. Wulff. New observations on intermetallic compound formation in gold ball bonds: general growth patterns and identification of two forms of Au4Al. Microelectronics Reliability: 973–981. [2018-04-02]. doi:10.1016/j.microrel.2004.02.013. (原始内容存档于2019-11-30).
- ^ Hao-Wen Hsueh, Fei-Yi Hung, Truan-Sheng Lui, Li-Hui Chen. Microstructure, electric flame-off characteristics and tensile properties of silver bonding wires. Microelectronics Reliability: 2243–2249. [2018-04-02]. doi:10.1016/j.microrel.2011.07.062. (原始内容存档于2019-11-30).