半导体封装Wire Bonding （引线键合）工艺技术的详解；

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引线键合技术是半导体封装工艺中的一个重要环节，主要利用金、铝、铜、锡等金属导线建立引线与半导体内部芯片之间的联系。这种技术能够将金属布焊区或微电子封装I/O引线等与半导体芯片焊区连接，是确保半导体功能得以正常发挥的关键步骤。

在引线键合过程中，金属线被焊接到芯片引线或基板上的金属引脚上。这种技术特别适用于微小封装和高密度布局，能够提供良好的电性能和较低的电阻。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。

引线键合工艺中所用的导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝。不同的金属丝在键合过程中有各自的特点和适用场景。例如，金丝因其良好的导电性能和稳定性而被广泛使用，但成本较高；铜丝则具有较低的生产成本和良好的导电性能，因此在半导体封装以及集成电路、LED等众多领域得到推广应用；铝丝则常用于超声键合工艺中。

引线键合的主要方式包括热压键合、超声键合和热声键合。热压键合利用加压和加热的方法，使得金属丝与焊区接触面的原子间达到原子间的引力范围，从而实现键合；超声键合则是利用超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下的压力，使得劈刀带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，完成焊接；热声键合则是结合了热压和超声两种方法的特点。

此外，引线键合技术还直接影响到封装的总厚度，因此在封装设计时需要综合考虑。总的来说，引线键合技术是半导体封装中不可或缺的一环，其施工质量对于半导体功能应用的发挥具有较大影响。以下就是今天要跟大家分享的关于引线键合工艺技术的相关内容，讲得不对或是有遗漏之处，还希望大家多多批评指正；

一、Wire Bonding（引线键合）的原理

引线键合通过金属线（通常为金线、铜线或铝线）将芯片的焊盘（Bond Pad）与封装基板或引线框架连接，实现电气和机械连接。

1、IC封装中电路连接的三种方式

（1）、倒装焊（Flip chip bonding)

原理：将芯片正面朝下，通过焊球（Bump）直接与基板连接。

特点：(a)连接路径短，电气性能优越；(b)支持高密度封装，适用于高频应用；(c)工艺复杂，成本较高。

应用：高性能处理器、存储器、射频器件等。

（2）、载带自动焊（TAB---tape automated bonding)

原理：使用柔性载带（Tape）上的金属引线将芯片与基板连接。

特点：(a)适合多引脚、高密度封装；(b)生产效率高，适合大规模生产；(c)设备和材料成本较高。

应用：液晶显示器驱动 IC、传感器等。

（3）、引线键合（wire bonding)

原理：通过金属线（如金线、铜线或铝线）将芯片的焊盘与封装基板或引线框架连接。

特点：（a)技术成熟，成本较低；（b）适用于多种封装类型（如 QFP、BGA）；（c）对焊盘和引线框架的精度要求较高。

应用：广泛用于消费电子、汽车电子等领域。

二、Wire Bonding（引线键合）的作用

电路连线，使芯片与封装基板或导线框架完成电路的连线，以发挥电子讯号传输的功能，以下是引线键合的主要作用：

1、电气连接

信号传输：将芯片的焊盘（Bond Pad）与封装基板或引线框架连接，实现信号和电力的传输。

低电阻路径：通过金属线（如金线、铜线或铝线）提供低电阻的电气连接，确保电路性能。

2、机械连接

固定芯片：将芯片牢固地固定在封装基板或引线框架上，防止移动或损坏。

应力缓冲：金属线的柔韧性可以缓解热膨胀或机械振动带来的应力，保护芯片。

3、热管理

散热路径：金属线可以作为辅助散热路径，帮助芯片将热量传导到封装外部。

热应力分散：通过合理设计键合线布局，分散热应力，提高封装可靠性。

4、工艺灵活性

适应多种封装类型：引线键合适用于多种封装形式，如 QFP、BGA 等。

兼容不同材料：支持金线、铜线、铝线等多种材料，满足不同应用需求。

5、成本效益

技术成熟：引线键合工艺成熟，设备成本相对较低。

生产效率高：适合大规模生产，降低封装成本。

6、应用领域

消费电子：如手机、电脑、家电等。

汽车电子：如发动机控制单元、传感器等。

工业控制：如功率器件、控制器等。

总之，引线键合在半导体封装中扮演着至关重要的角色，不仅实现了电气和机械连接，还提供了热管理和成本效益的优势。随着技术进步，引线键合工艺在高密度封装和高频应用中不断优化，继续发挥着重要作用。

三、Wire Bonding（引线键合）的分类

引线键合（Wire Bonding）是半导体封装中的关键技术，它的分类方式多样，根据键合方式、材料、形状、应用场景和自动化程度的不同，可以选择合适的工艺和技术。每种分类方式都有其特定的应用领域和优势，需根据实际需求进行选择。

1、按键合形状的分类

球键合（Ball Bonding）：第一键合点形成球状，第二键合点为楔形。适用于金线和铜线。

楔键合（Wedge Bonding）：第一键合点和第二键合点均为楔形。适用于铝线和金线。

2、按键合方式的分类

热压键合（Thermocompression Bonding）：通过加热和压力将金属线与焊盘连接。适用于金线和铜线。

超声波键合（Ultrasonic Bonding）：利用超声波振动和压力实现连接。适用于铝线和金线。

热声键合（Thermosonic Bonding）：结合热压和超声波技术，适用于金线。

1.热压焊	300-500℃	无超声	高压力	引线：Au
2.超声焊	室温22~28	有超声	低压力	引线：Al、 Au
3.热超声焊	100~150℃	有超声	低压力	引线：Au

3、按金属材料的分类

金线键合：导电性好，耐腐蚀，成本高。适用于高可靠性应用。

铜线键合：成本低，导电性好，但易氧化。适用于低成本和高功率应用。

铝线键合：成本低，适用于大电流应用。常用于功率器件和汽车电子。

4、按应用场景的分类

传统引线键合：用于标准封装（如 QFP、BGA）。

细间距引线键合：用于高密度封装，支持更小的焊盘间距。

功率器件引线键合：用于大电流和高功率应用，通常使用铝线或铜线。

5、按自动化程度的分类

手动引线键合：适用于小批量生产或特殊应用。

自动引线键合：适用于大规模生产，效率高，一致性好。

四、Wire Bonding（引线键合）的四要素

引线键合的四要素（材料选择、工艺参数、设备与工具、工艺控制与优化）共同决定了键合的质量和可靠性。通过合理选择和优化这些要素，可以实现高效、稳定的引线键合工艺。

1、材料选择

金属线：常用的金属线包括金线、铜线和铝线，选择依据包括导电性、成本和应用场景。

金线：导电性好，耐腐蚀，成本高。

铜线：成本低，导电性好，但易氧化。

铝线：成本低，适用于大电流应用。

焊盘材料：通常为铝或铜，需与金属线兼容。

2、工艺参数

温度：热压键合和热声键合需要精确控制温度。

压力：适当的压力确保金属线与焊盘的良好接触。

超声波能量：超声波键合需优化能量和频率，以实现可靠的连接。

时间：键合时间影响连接质量和效率。

3、设备与工具

键合机：自动或半自动键合机，提供精确的控制和高效的生产。

键合头：包括毛细管（用于球键合）和楔形工具（用于楔键合）。

检测设备：如显微镜和拉力测试仪，用于质量检测。

4、工艺控制与优化

表面处理：清洁焊盘和引线框架，确保良好的键合表面。

线弧控制：优化金属线的弧度和长度，避免短路或应力集中。

质量控制：通过拉力测试、剪切测试和视觉检查确保键合质量。

工艺优化：根据产品需求调整参数，提高良率和可靠性。

五、Bonding（键合）用 Wire（引线）

Au WIRE 的主要特性

1、具有良好的导电性，仅次于银、铜。电阻率（μΩ・ｃｍ）的比较

Ag（１．６）＜Cu（１．７）＜Au（２．３）＜Al（２．７）；

2、具有较好的抗氧化性 。

3、具有较好的延展性，便于线材的制作。常用Au，Wire直径为23μｍ，25 μｍ，30 μｍ；

4、具有对热压缩 Bonding最适合的硬度；

5、具有耐树脂 Mold的应力的机械强度；

6、成球性好（经电火花放电能形成大小一致的金球） ；

7、高纯度（4N：99.99%）；

六、Bonding（键合）用 Capillary（引线咀）

Capillary的选用Hole径（Ｈ），Hole径是由规定的Wire径ＷＤ（Wire Diameter)来决定H=1.2~1.5WD；

1、Capillary主要的尺寸

H： Hole Diameter (Hole径)

T：Tip Diameter

B：Chamfer Diameter(orCD)

IC：Inside Chamfer

IC ANGLE：Inside Chamfer Angle

FA：Face Angle (Face角)

OR：Outside Radius

a 15(15XX)：直径1/16 inch （约1.6mm)，标准氧化铝陶瓷

b XX51：capillary产品系列号

c 18：Hole Size 直径为0.0018 in.（约46μm ）

d 437：capillary 总长0.437 in.(约11.1mm）

e GM：capillary tip无抛光; (P：capillary tip有抛光）

f 50：capillary tip 直径T值为0.0050 in. （约127μm）

g 4： IC为0.0004 in. （约10μm）

h 8D：端面角度face angle为 8°

i 10：外端半径OR为0.0010 in.（约25μm）

j 20D：锥度角为20°

k CZ1：材质分类，分CZ1,CZ3,CZ8三种系列

2、Capillary尺寸对焊线质量的影响

（1）、Chamfer径（ＣＤ）

Chamfer径过于大的话、Bonding强度越弱，易造成虚焊；

（2）、Chamfer角（ICA ）

Chamfer角：小→Ball Size：小

Chamfer角：大→Ball Size：大

将Chamfer角由90°变更为120°可使Ball形状变大，随之Ball的宽度变宽、与Pad接合面积也能变宽。

（3）、OR（Outer Radius）及FA（Face Angle）

对Hill Crack、Capillary的OR（Outer Radius）及FA（Face Angle）的数值是重要影响因素。

FA（Face Angle）0°→8°变更

FA 0°→8°的变更并未能增加Wire Pull的测试强度，但如下图所示，能够增加2nd Neck部的稳定性。

（4）、焊接时间顺序图

次序	动作
1	焊头下降至第一焊点之搜索高度
2	第一焊点之搜索
3	第一焊点的接触阶段
4	第一焊点的焊接阶段
5	返回高度
6	返回距离
7	估计线长高度
8	搜索延迟
9	焊头下降至第二焊点之搜索高度
10	第二焊点之搜索
11	第二焊点的接触阶段
12	第二焊点的焊接阶段
13	线尾长度
14	焊头回到原始位置

3、焊头动作步骤

（1）、焊头在打火高度( 复位位置 )

（2）、焊头由打火高度下降到第一焊点搜索高度

（3）、第一焊点接触阶段

（4）、第一焊点焊接阶段

（5）、完成第一点压焊后, 焊头上升到反向高度

（6）、反向距离

（7）、焊头上升到线弧高度位置

（8）、搜索延迟

（9）、XYZ 移向第二压点搜索高度

（10）、第二焊点接触阶段

（11）、第二压点焊接阶段

（12）、焊头在尾丝高度

（13）、拉断尾丝

（14）、金球形成，开始下一个压焊过程

4、BSOB&BBOS

BSOB : BOND STICH ON BALL

BBOS : BOND BALL ON STICH

（1）、BSOB的应用

（2）、BSOB 时BOND HEAD的动作步骤

（3）、BSOB的两个重要参数

Ball Offset：设定范围: -8020, 一般设定: -60

此项设定植球时，当loop base 拉起后，capillary 要向何方向拉弧

设定值为正值 : 代表capillary 向lead 的方向拉弧

设定值为负值 : 代表capillary 向die 的方向拉弧

2 nd Bond Pt Offset

此项是设定2銲点鱼尾在BALL上的偏移距离，

其单位是 x y Motor Step = 0.2 um ，一般设定：60

此参数主要目的以确保2銲点鱼尾与植球有最大的黏着面积

Wire Offset 0

Wire Offset 45

Wire Offset 55

Wire Offset 65

BSOB BALL

最佳BSOB效果

FAB过大，BASE参数过小

BASE参数过大

正常

BALL过大，STICH BASE参数过小

BALL过小，STICH BASE参数过大

正常

BSOB 2nd stich不良

七、Wire bonding（引线键合）loop

1、Q-Loop

2、Square Loop

3、Penta loop

4、‘M’ – loop

Q-LOOP轮廓及参数说明：

Reverse Distance Angle 功能在定义Reverse Distance 方位

注意:假如反向拉弧的角度超过20度，可能会产生neck crack

好

不好

好

不好

八、Wire bond（引线键合）的不良分析

在半导体引线键合（Wire Bonding）工艺中，不良现象可能导致产品性能下降或失效。它的不良现象可能由多种因素引起，包括材料、工艺参数、设备状态等。通过分析不良现象的根本原因，并采取相应的优化措施，可以提高键合质量和产品可靠性。建议结合具体生产情况进行深入分析和验证。

总结一下

引线键合工艺作为集成电路封装技术的重要环节，在电子产品的性能和可靠性方面发挥着关键作用。未来，引线键合工艺将继续在多元化、高性能、低成本和环保可持续性等方面取得突破，以满足不断变化的市场需求和技术挑战。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。我还建议读者可以了解一下，封装种类及技术的进步，给键合方法带来了什么样的变化。

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审核编辑 黄宇