什么是引线键合（WireBonding）

引线键合WireBonding引线键合是一种使用细金属线利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。在理想控制条件下引线和基板间会发生电子共享或原子的相互扩散从而使两种金属间实现原子量级上的键合。图1在IC封装中芯片和引线框架基板的连接为电源和信号的分配提供了电路连接。有三种方式实现内部连接倒装焊Flip Chip Bonding、载带自动焊TAB 一Tape Automated Bonding和引线键合Wire Bonding。虽然倒装焊的应用增长很快但是目前90%以上的连接方式仍是引线键合。这个主要是基于成本的考虑。虽然倒装焊能大幅度提升封装的性能但是过于昂贵的成本使得倒装焊仅仅用于一些高端的产品上。事实上对于一般产品的性能要求用引线键合已经能够达到。图2焊线的目的是将晶粒上的接点以极细的金线(18~50μm)连接到引线架上的内引脚。从而将集成电路晶粒的电路信号传输到外界。当引线架从弹匣内传送至定位后应用电子影像处理技术来确定晶粒上各个接点以及每一接点所对应的内引脚上接点的位置然后完成焊线的动作焊线示意图如图三所示。焊线时以晶粒上的接点为第一焊点内引脚上的接点为第二焊点焊线焊点如图3a所示。首先将金线的端点烧结成小球而后将小球压焊在第一焊点上(此称为第一焊First Bond), 如(图3b) 所示。接着依照设计好的路径拉金线最后将金线压焊在第二焊点上(此称为第二焊Second Bond)如图3c所示。同时拉断第二焊点与钢嘴间的金线完成一条金线线的焊线动作。接着便又结成小球开始下一条金线的焊线动作。图3引线键合工程是引线架上的芯片与引线架之间用金线连接的工程。为了使芯片能与外界传送及接收信号就必须在芯片的接触电极与引线架的引脚之间一个一个对应地用键合线连接起来这个过程称为引线键合。引线键合的主要材料键合用的引线对焊接的质量有很大的影响尤其对器件的可靠性和稳定性影响更大。理想引线材料具有以下特点1.能与半导体材料形成低电阻欧姆接触。2.化学性能稳定不会形成有害的金属间化合物。3.与半导体材料接合力强。4.可塑性好容易实现键合。5.弹性小在键合过程中能保持一定的几何形状。引线键合的焊线材料金线和铝线是使用最普遍的焊线材料。金性能稳定做出来的产品良率高铝虽然便宜但不稳定良率低。几种主要的焊线对比如下1.金线使用最广泛传导效率最好根据LED产业的特点推出金线来料检验的服务协助LED企业鉴定金线质量选择品质可靠的金线。2.铝线多用在功率型组件的封装。3.铜线由于金价飞涨近年来大多数封装厂积极开发铜线制程以降低成本。铜线对目前国内的部分封装厂来说在中低端产品上还是比较经济的但是需加保护气体刚性强。4.银线特殊组件所使用在封装工艺中不使用纯银线常采用银的合金线其性能较铜线好价格比金线要低也需要用保护气体对于中高端封装来说不失为一个好选择。银线的优势如下一是银对可见光的反射率高达90%居金属之冠在LED应用中有增光效果。二是银对热的反射或排除也居金属之冠可降低芯片温度延长LED寿命。三是银线的耐电流性大于金和铜。四是银线比金线好管理无形损耗降低银变现不易。五是银线比铜线好储放铜线需密封且储存期短银线不需密封储存期可达6~12个月。在目前的集成电路封装中金线键合仍然占大部分铝线键合也只是占了较少一部分铝线键合封装只占总封装的 5%而铜线键合大概也只有 1%。另外引线架提供封装组件电、热传导的途径也是所有封装材料中需求量最大的。引线架材料有镍铁合金、复合或披覆金属、铜合金三大类。引线键合作用焊接时还要用到一种很重要的结构叫作微管即毛细管是引线键合机上金属线最后穿过的位置。金属线通过微管与芯片或焊盘上相应的位置进行接触并完成键合作用。微管的尖端表面的性质对于引线键合很重要其表面主要分为GM和P型两种。GM型表面粗糙在焊接时可以更好地传递超声波能量提高焊接的效果但是容易附着空气中的污染物又影响焊接降低使用寿命。P型表面光滑不易附着灰尘和异物对于超声波的传递效果不是很好。引线键合的方式与特点1.热压焊(Thermocompression BondingT/C)的工艺过程是在一定温度下施加-定压力劈刀带着引线与焊区接触并达到原子间距从而产生原子间作用力达到键合的目的。温度高于200C。压力0.5~1.5N/点。强度(拽扯脱点的拉力大小)0.05~009N。2.超声焊(Ultrasonic Bonding)的工艺过程是刀在超声波的作用下在振动的同时去除了焊区表面的氧化层并与煤区达到原子间距产生原子间作用。从而达到键合目的。温度室温。压力小于0.5N/点。强度0.07N。3.热声焊是超声波热压焊接方式 (Thermosonic Ultrasonic BondingU/ST/S)热声焊原理如图4所示即在一定压力、超声波和温度共同作用一定时间后将金球压接在芯片的铝盘焊接表面《金丝球焊)。图4热声焊的意义1.借助超声波的能量可以使芯片和劈刀的加热温度降低。金丝热压焊芯片温度为330~350℃劈刀温度为165℃。热声焊芯片温度为125~300℃劈刀温度为125~165℃。2.由于温度降低可以减少金、铝间金属化合物的产生从而提高键合强度降低接触电阻。3.可键合不能耐300℃以上高温的器件。4.键合压力、超声功率可以降低一些。5.有残余钝化层或有轻微氧化的铝压点也能键合。6.工艺过程在于劈刀在加热与超声波的共同作用下去除焊区表面的氧化层达到键合的目的。温度小于200℃。压力0.5N/点。强度∶0.09~0.1N。注意如温度过高芯片会变形易形成氧化层超声焊和热声焊的焊接强度比热压焊强一些。