引线键合(WireBonding)——将芯片装配到PCB上的方法

半导体工艺与设备 2023-03-21 08:37

结束前工序的每一个晶圆上，都连接着500~1200个芯片（也可称作Die）。为了将这些芯片用于所需之处，需要将晶圆切割(Dicing)成单独的芯片后，再与外部进行连接、通电。此时，连接电线（电信号的传输路径）的方法被称为引线键合（Wire Bonding）。其实，使用金属引线连接电路的方法已是非常传统的方法了，现在已经越来越少用了。近来，加装芯片键合（Flip Chip Bonding）和硅穿孔（Through Silicon Via，简称TSV）正在成为新的主流。加装芯片键合也被称作凸点键合（Bump Bonding），是利用锡球（Solder Ball）小凸点进行键合的方法。硅穿孔则是一种更先进的方法。

为了了解键合的最基本概念，在本文中，我们将着重探讨引线键合，这一传统的方法。

一、键合法的发展历程

图1. 键合法的发展史：引线键合→加装芯片键合→硅穿孔

为使半导体芯片在各个领域正常运作，必须从外部提供偏压（Bias voltage）和输入。因此，需要将金属引线和芯片焊盘连接起来。早期，人们通过焊接的方法把金属引线连接到芯片焊盘上。

从1965年至今，这种连接方法从引线键合(Wire Bonding)，到加装芯片键合(Flip Chip Bonding)，再到TSV，经历了多种不同的发展方式。

引线键合顾名思义，是利用金属引线进行连接的方法；加装芯片键合则是利用凸点（bump）代替了金属引线，从而增加了引线连接的柔韧性；TSV作为一种全新的方法，通过数百个孔使上下芯片与印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）相连。

二、键合法的比较：引线键合(Wire Bonding)和加装芯片键合(Flip Chip Bonding)

图2. 引线键合VS加装芯片键合的工艺

芯片键合，作为切割工艺的后道工序，是将芯片固定到基板（substrate）上的一道工艺。引线键合则作为芯片键合的下道工序，是确保电信号传输的一个过程。与引线键合相似的另一种连接方法为加装芯片键合，两者都是使用直径很小的金属物体来连接芯片中的焊盘和PCB上的焊盘（在引线框架下，仅使用于引线键合）的。

相比之下，利用金属引线进行连接的引线键合法有如下几个缺点：金属引线比凸点要长，且直径更小，因此传输电信号耗时长；且由于金属引线的高阻抗（impedance），信号很容易失真。不仅如此，由于焊颈（solder neck）容易断开、且结合强度相对较弱，因此拉伸强度相对较差。相反，加装芯片键合法虽然操作连接器小锡球有些复杂，但在连接可靠性和电信号传输等方面却有很多优势。

三、引线键合（Wire Bonding）是什么？

图3. 引线键合的结构（载体为印刷电路板（PCB）时）

引线键合是把金属引线连接到焊盘上的一种方法，即是把内外部的芯片连接起来的一种技术。从结构上看，金属引线在芯片的焊盘（一次键合）和载体焊盘（二次键合）之间充当着桥梁的作用。早期，引线框架（lead frame）被用作载体基板，但随着技术的日新月异，现在则越来越多地使用PCB作基板。连接两个独立焊盘的引线键合，其引线的材质、键合条件、键合位置（除连接芯片和基板外，还连接两个芯片，或两个基板）等都有很大的不同。

四、引线键合法：热压/超声波/热超声波

图4. 引线键合法

将金属引线连接到焊盘的方法主要有三种：热压法（thermo-compression method），将焊盘和毛细管劈刀（类似毛细管状的移动金属引线的工具）通过加热、压缩进行连接的方法；超声波法（Ultrasonic），不加热，将超声波施加到毛细管劈刀上进行连接的方法；热超声波法（Thermosonic），同时使用加热和超声波的综合式方法。

第一种是热压键合法，提前将芯片焊盘的温度加热到200℃左右，再提高毛细管劈刀尖端的温度，使其变成球状，通过毛细管劈刀向焊盘施加压力，从而将金属引线连接到焊盘上。

第二种超声波法(Ultrasonic)是在楔形劈刀（Wedge,与毛细管劈刀类似，是移动金属引线的工具，但不形成球状）上施加超声波，实现金属引线与焊盘连接的方法。这种方法的优点是工艺和材料成本低；但由于超声波法用易操作的超声波代替了加热和加压的过程，因此键合拉伸强度（bonded tensile strength，连线后拽拉引线时的承受能力）则相对较弱。

半导体工艺中最常用的方法其实是第三种热超声波法。它结合了热压法和超声波法的优点。热超声波法将热、压力和超声波施加于毛细管劈刀，使其在最佳状态下进行连接。在半导体的后端工艺中，相比成本，键合的强度更加重要，因此尽管这一方法的成本相对较高，但金丝热超声波法是最经常采用的键合方法。

五、键合金属引线的材质：金/铝/铜

金属引线的材质是根据综合考虑各种焊接参数（parameter），并组合成最妥当的方法来决定的。这里指的参数所涉及的事项繁多，包括半导体的产品类型、封装种类、焊盘大小、金属引线直径、焊接方法，以及金属引线的抗拉强度和伸长率等有关信赖度的指标。典型的金属引线材质有金（Au）、铝（Al）和铜（Cu）。其中，金丝多用于半导体的封装。

金丝（Gold Wire）的导电性好，且化学性很稳定，耐腐蚀能力也很强。然而，早期多使用的铝丝的最大缺点就是易腐蚀。而且金丝的硬度强，因此，在一次键合中可以很好地形成球状，并能在二次键合中恰到好处地形成半圆形引线环（Loop，从一次键合到二次键合金丝形成的形状）。

铝丝（Aluminum Wire）比金丝直径更大，间距（pitch）也更大。因此，即使使用高纯度的金丝形成引线环也不会断裂，但纯铝丝则很容易断裂，所以会掺和一些硅或镁等制成合金后使用。铝丝主要用于高温封装（如 Hermetic）或超声波法等无法使用金丝的地方。

铜丝（Copper Wire）虽价格便宜，但硬度太高。如果硬度过高，不容易形成球状，且形成引线环时也有很多限制。而且，在球键合过程中要向芯片焊盘施加压力，如果硬度过高，此时，焊盘底部的薄膜会出现裂纹。此外，还会出现牢固连接的焊盘层脱落的“剥落（Peeling）”现象。尽管如此，由于芯片的金属布线都是由铜制成的，所以如今越来越倾向于使用铜丝。当然，为了克服铜丝的缺点，通常会掺和少量的其他材质形成合金后使用。

六、材质不同，引线键合法也不同：金丝VS铝丝

引线键合中毛细管劈刀可以说是最核心的工具。毛细管劈刀，一般使用金丝，楔形键合则使用铝丝。毛细管劈刀是通过形成球状来实现键合的，而楔形键合则无需形成球状。楔形劈刀从形状上就与晶圆末端的毛细管劈刀不同，且连接和切断（tear）引线的方法也不同。

如果说金丝采用的是“热超声波-毛细管劈刀-球”的引线键合法，铝丝采用的则是铝丝楔形引线键合法（Aluminum Wedge Wire Bonding），即“超声波-楔形键合“的方法。铝丝—超声波法由于抗拉强度低，只能在特殊情况下使用，而90%以上的情况采用的都是“金丝-热超声波法”。

当然，热超声波法也存在缺点，即球颈（ball neck）脆弱。所以要非常谨慎地管理HAZ(Heat Affected Zone，在金属引线材质被毛细管的高温稍熔化后，在凝固过程中再结晶的金属引线区域)。

七、利用金丝的球键合

图5. 一次键合：在芯片焊盘上的球引线键合

最常使用的“热超声波金丝球键合法”（Thermosonic Gold Ball Wire Bon-ding），分为两个键合阶段。

一次键合过程如下：金丝穿过毛细管劈刀正中央的小孔，提高金丝末端的温度，金丝融化后形成金丝球（Gold Ball），打开夹持金属丝的夹钳（用于收放金属引线），施加热、压力和超声波振动，当毛细管劈刀接触焊盘时，形成的金丝球会粘合到加热的焊盘上。完成一次球键合后，将毛细管劈刀提升到比预先测量的环路高度略高的位置，并移动到二次键合的焊盘上，则会形成一个引线环（loop）。

图6. 二次键合：PCB焊盘上的针脚式键合

二次键合过程如下：向毛细管劈刀施加热、压力和超声波振动，并将第二次形成的金丝球碾压在PCB焊盘上，完成针脚式键合（stitch bonding）。针脚式键合后，当引线连续断裂时，进行拉尾线（Tail Bonding），以形成一尾线（wire tail）。之后，收紧毛细管劈刀的夹钳（即夹住引线）、断开金属引线，结束二次金丝球键合。

今天，我们主要讲了引线键合法与材质之间的相互作用，以及引线键合的具体方法。在本文中，对可靠性和引线键合中可能出现的问题只是进行了简短的介绍，但要铭记，在引线键合过程中，发现问题，并找出克服问题的解决方案，理解相互之间的权衡关系是非常重要的。

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