引线键合的三种技术

微电子封装是芯片成为功能产品的最后一步。它不仅为芯片提供电气连接、散热通道，还承担物理支撑与保护作用。封装质量直接影响器件性能，其中，互连技术尤为关键。研究表明，25%~30%的半导体失效源于芯片互连问题。在各类互连方式中，引线键合因成本低、工艺成熟，仍占据封装市场约70%的份额。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。

 

一、热压键合

1.原理

通过加热与加压使金球发生显著塑性变形，表面滑移线破坏氧化膜，洁净金属面接触并扩散，形成焊点。

 

2.关键影响因素 

热压键合对材料有较高要求。例如：

• Au-Ag、Au-Cu等可形成固溶体的金属组合，扩散性好，焊接性能优良；
• Au-Si、Al-Si等可形成低熔点共晶，也具备良好的可焊性；
• 而如Au-Al、Cu-Al等通过扩散形成金属间化合物的组合，虽可焊接但需严格控制工艺。
   

3.工艺参数：  

• 键合时间：时间延长有助于提高变形率和连接强度；
• 键合力：需精确控制，过大可能损伤芯片，过小则连接不牢；
• 变形率：在一定范围内，拉断载荷与球的变形率成正比；
• 洁净度：任何污染都会显著降低焊接强度。
   

4.特点优势：

工艺简单，无方向性，金-金键合稳定。

劣势：

需高温（通常150°C以上），对洁净度极敏感，小焊盘适应性差，成品率偏低。

二、超声键合

1.原理

常温下，超声振动使氧化膜破碎，纯净金属面摩擦生热并扩散，实现连接。过程分两段：初始滑移去污染，随后横向塑性变形完成键合。

2.关键影响因素超声功率：

决定材料软化程度；  

键合力：

压力越大，越早形成连接，滑动阶段缩短；  

变形幅度：

强度随变形增加而提升，但超过丝材承载极限时断裂；  

后加热：

可进一步促进扩散，提升接头强度。

3.特点优势：

可焊异种金属，不影响导电性；周期短、热影响小；无需辅料，能耗低；金属间化合物生长少，可靠性高。  

劣势：

对表面粗糙度敏感；铝屑易粘焊头，难清理；材料厚度受限，可焊金属范围窄；设备功率需求高。

三、热压超声键合

1.原理

结合了热压和超声两种能量的热压超声键合（又称金丝球键合），成为目前最主流的引线键合技术。它同时利用热、压力和超声波能量，在较低温度和压力下实现高质量连接。

2.典型工艺流程 

• 穿线：引线穿过劈刀，伸出长度决定后续球尺寸；
• 形成球：通过EFO（电子火焰熄灭）放电将引线端部熔成球状；
• 对位：球移动到焊盘上方；
• 第一焊点：劈刀将球压到焊盘上，施加压力、温度和超声波形成连接；
• 拱丝成型：劈刀上升并移动到第二焊点位置，形成特定拱形；
• 第二焊点：在基板或引线框上形成楔形焊接；
• 断线：夹子闭合，劈刀上升扯断引线，准备下一次键合。
   

3.关键影响因素超声时间：

过长易损焊盘，过短扩散不足；  

变形量：

有效键合面积随变形增大而增加，强度提升。

4.特点 优势：

温度与压力低于纯热压，热应力小；可形成复杂拱丝，适应高密度封装；无方向性，工艺窗口宽。  

劣势：

对污染物敏感，易出现缩坑；参数多（温度、压力、超声、时间），调试复杂； 焊盘尺寸略大于超声键合，成品率略低。