引线键合详解PPT课件

元器件的互连封装技术—引线键合技术

应用范围
低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法，用于下列封装：
• 陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片 • 陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs) • 芯片尺寸封装 (CSPs) • 板上芯片 (COB)
芯片互连例子
采用引线键合的芯片互连
两种键合焊盘
球形键合
铝合金线为超音波最常见的线材；金线亦可用于超音波接合，它的应用可以在微波元件的封装中见到。
楔形键合
其穿丝是通过楔形劈刀背面的一个小孔来实现的，金属丝与晶片键合区平面呈30～60°的角度，当楔形劈刀下降到焊盘键合区时，楔头将金属丝按在其表面，采用超声或者热声焊而完成键合。
超音波接合只能产生楔形接点(Wedge Bond)。它所能形成的形成的连线弧度(称为Profile)与接点形状均小于其他引线键合方法所能完成者。因此适用于焊盘较小、密度较高的IC晶片的电路连线；但超音波接合的连线必须沿著金属迴绕的方向排列，不能以第一接点为中心改变方向，因此在连线过程中必须不断地调整IC晶片与封装基板的位置以配合导线的迴绕，不仅其因此限制了键合的速度，亦较不利于大面积晶片的电路连线。
元器件的互连封装技术 —引线键合技术
Review
电子封装始于IC晶片制成之后，包括IC晶片的粘结固定、电路连线、密封保护、与电路板之接合、模组组装到产品完成之间的所有过程。
电子封装常见的连接方法有引线键合(wire bonding，WB)、载带自动焊（tape automated bonding, TAB）与倒装芯片(flip chip, FC)等三种，倒装芯片也称为反转式晶片接合或可控制塌陷晶片互连 (controlled collapse chip connection ,C4 ) 。

芯片Wire bonding引线键合导线键合绑定教程-70页

Wire bonding 引线键合/导线键合/绑定什么是导线键合用金属丝将芯片的I/O端与对应的封装引脚或者基板上布线焊区互连，固相焊接过程，采用加热、加压和超声能，破坏表面氧化层和污染，产生塑性变形，界面亲密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点，键合区的焊盘金属一般为Al或者Au等，金属细丝是直径为几十到几百微米的Au、Al或者Si－Al丝。

应用范围低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法，用于下列封装：:•陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片•陶瓷和塑料(CerQuads and PQFPs)•芯片尺寸封装(CSPs)•板上芯片(COB)Virtually all dynamic random access memory (DRAM) chips and most commodity chips in plastic packages are assembled by wirebonding. About 1.2-1.4 trillion wire interconnections are produced annually. Manufacturing losses and test failures are about 40-1000 ppm and trending downward each year.历史和特点1957 年Bell实验室采用的器件封装技术，目前特点如下：¾已有适合批量生产的自动化机器，¾键合参数可精密控制，导线机械性能重复性高，¾速度可达100-125ms/互连（两个焊接和一个导线循环过程），¾间距达50 um 而高度可低于，¾劈刀的改进解决了大多数的可靠性问题¾根据特定的要求，出现了各种工具和材料可供选择，¾已经形成非常成熟的体系。

芯片互连例子采用导线键合的芯片互连三种键合（焊接）机理超声焊接：利用超声波（60～120KHz）发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下的压力。

引线键合(电子制造技术ppt)分解

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三种键合工艺比较
键合工艺键合压力键合温度超声波（℃）能量
热压型
高
300-500 无
超声型
低
25 有
热超声型低
100-150 有
适用
适用
引线材料焊盘材料
Au Au、Al
Al、Au Al、Au
Al、Au Au
4
两种键合形式比较
ห้องสมุดไป่ตู้
速度键合形式键合工艺键合工具引线材料焊盘材料 v/ N·s - 1
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主要工艺参数介绍
❖ 键合时间
❖ 通常都在几毫秒，键合点不同，键合时间也不一样 ❖ 一般来说，键合时间越长，引线球吸收的能量越多
，键合点的直径就越大，界面强度增加而颈部强度降低。 ❖ 但是长的时间，会使键合点尺寸过大，超出焊盘边界并且导致空洞生成概率增大
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主要工艺参数介绍
❖ 超声功率与键合压力
❖ 超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合球的变形起主导作用。
❖ 过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起；过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。
❖ 增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键合工具更多的传递到键合点处
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引线键合材料
❖ 焊接工具
❖ 焊接工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。
生形变,通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法 ❖ 超声波键合 ❖ 超声波键合不加热(通常是室温) ,是在施加压力的同时,在被焊件
之间产生超声频率的弹性振动,破坏被焊件之间界面上的氧化层, 并产生热量,使两固态金属牢固键合。 ❖ 热超声键合 ❖ 热压超声波键合工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性

引线键合（WireBonding）

引线键合（WireBonding）引线键合(Wire Bonding)——将芯片装配到PCB上的方法 | SK hynix Newsroom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(Wire Bonding)→加装芯片键合(Flip Chip Bonding)→硅穿孔（TSV）下载图片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(Wire Bonding) VS加装芯片键合(Flip Chip Bonding)的工艺下载图片三、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）下载图片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。

电子封装中的固相焊接：引线键合

洞而造成键合焊点失效
关键词：线键合；合时序；触参数；合参数；引键接键扩散
中图分类号：Ｎ０．６Ｔ４５９
文献标Байду номын сангаас 码：Ａ
文章编号：０４４０（００ —０４０１０ —５７２１）７０３．６１
焊接的特征。键合过程分为冲击、触和键合三阶段，将接并联系实际键合机台的基本键合时序，发
现接触参数及超声功率和连接压力的大小关系对优质焊点的形成有重要影响：键合完成后的金属原子扩散将有助于金属间化合物的生长，但金属间化合物的过度生长将在界面形成开裂和孔
（ｒｅｃｌＳｍｉｏｄｃｏ（ｈｎ）ｔ．Ｔａｊ０３５ＣｉａＦｅｓａｅｅｃｎｕｔｒＣｉＬｄ，ｉｉ３０８，ｈｎ）ａｎｎ
ＡｂｔａｔＷｉｏｄｎｈｓｏｕａｔｏｏＣｏｎｃｉｎｉｌｃｒｎｃａｋｇｎｎｔｓｒｃ：ｒｂｎｉｇｉｔｅｍｏｔｐｌｒｍｅｈｄｆｒＩｃｎｅｔｎｅｅｔｉｓｐｃａｉｇａｄｉｅｓｐｏｏｈｓｔｅｃａａｔｒｚｔｎｏｏｉｈｓｌｉｇｗｈｔｅｕｉｇｏｆｒｂｎｉｇＴｉｐｐｒｄｖｄｄａｈｈｒｃｅｉａｉｆｓｌｐａｅｗｅｄｎｅｈｒｄｒｎｒａｅｏｄｎ．ｈｓａｅｉｉｅｏｄｔｗｉｏｄｎｎｏ３ｐａｅ，ｉａｔｏｔｃｎｏｄｎｔｏｎｈｔｈｏｔｃａａｅｅｓａｄｒｂｎｉｇｉｔｈｓｓｍｐｃ，ｃｎａｔｄｂｎ，ａｄｉＳｆｕｄｔａｅｃｎａｔｒｍｔｒｎｅａ ’ ｔｐｔｅｒｌｔｎｈｐｂｔｅｌａｏｉｏｒａｄｂｎｉｇｆｒｅａｆｃｈｕｌｙｏａｌｂｎｓｇｅｔ．ｈｅａｉｓｉｅｗｅｎｕｔｓｎｃｐｗｅｎｏｄｎｏｃｆｔｔｅｑａｉｆｂｌｏｄｒａｌｏｒｅｔｙＴｅｄｆｓｎａｅｒｏｄｎｏｔｏｓｔｅｇｏｈｏｔｒｔｌｃｃｍｐｕｄｉｅｏｅ — ｏｈｈｉｕｉｆｒｆｏｔｗｉｂｎｉｇｃｎｒｌｒｗｔｆｎｅｍｅａｌｏｏｎｓｗｈｌｔｖｒｇｗｔｅｈｉｉｅｈｒｉｔｏｕｅｒｃｉｇａｄｖｉｓａｅｉｔｒａｅｗｈｃｌｄｓｏｅｂｌｂｎｓｎｒｄｃｓｃａｋｎｎｏｄｔｈｅｆｃｉｈｗｉｅｔｙｔａｌｏｄ．ｔｎｌｒｈ

引线键合

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热压焊：金属线过预热至约300至400℃的氧化铝(Al2O3)或碳化钨（ WC）等耐火材料所制成的毛细管状键合头（Bonding Tool/Capillary,也称为瓷嘴或焊针），再以电火花或氢焰将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力效应使线之末端成球状（其直径约金属线直径之2倍），键合头再将金属球下压至已预热至约150至250℃的第一金属焊盘上进行球形结合（Ball Bond）。在结合时，球点将因受压力而略为变形，此一压力变形之目的在于增加结合面积、减低结合面粗糙度对结合的影响、穿破表面氧化层及其他可能阻碍结合之因素，以形成紧密之结合。
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底面角
4 degree 专门设计用于解决8度或者0度的问题，建议使用小的键合头
8 degree 一般用途，很好的第二键合点丝线截断能力 15 degree 仅仅用于热压焊，使用较少
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键合头直径（T）
主要影响第二键合点的强度，在允许的范围内应该尽可能大，小键合头适合于较密（细间距）键合，小键合头适合于手工操作。
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2013/1/14
铝丝
• 纯铝太软而难拉成丝，一般加入 1% Si 或者1% Mg以提高强度。 • 室温下1% 的Si 超过了在铝中的溶解度，导致Si的偏析，偏析的尺寸和数量取决于冷却数度，冷却太慢导致更多的Si颗粒结集。Si颗粒尺寸影响丝线的塑性，第二相是疲劳开裂的萌生潜在位置。 • 掺1%镁的铝丝强度和掺1% 硅的强度相当。 • 抗疲劳强度更好，因为镁在铝中的均衡溶解度为2%,于是没有第二相析出。
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2013/1/14
键合头镀层
光滑涂层 • 较长的使用寿命， • 要进行抛光， • 使得第二键合点光亮， • 减少金属的残留和聚集

引线键合详解.概要

第二章
2.1纯金属
金丝：广泛用于热压和热声焊,丝线表面要光滑和清洁以保证强度和防止丝线堵塞,纯金具有很好的抗拉强度和延展率,高纯金太软,一般加入约5-10 ppm 重量的 Be或者30-100 ppm的Cu,掺Be的引线强度一般要比掺Cu的高10-20% 。铝丝：1. 纯铝太软而难拉成丝,一般加入1% Si 或者1% Mg以提高强度。 2. 室温下1% 的Si 超过了在铝中的溶解度,导致Si的偏析,偏析的尺寸和数量取决于冷却数度,冷却太慢导致更多的Si颗粒结集。Si颗粒尺寸影响丝线的塑性,第二相是疲劳开裂的萌生潜在位置。 3. 掺1%镁的铝丝强度和掺1% 硅的强度相当。 4. 抗疲劳强度更好,因为镁在铝中的均衡溶解度为2%,于是没有第二相析出。铜丝：1.最近人们开始注意铜丝在IC键合中的应用, 2.便宜,资源充足, 3.在塑封中抗波动(在垂直长度方向平面内晃动)能力强, 4.主要问题是键合性问题, 5.比金和铝硬导致出现弹坑和将金属焊区破坏, 6.由于易氧化,要在保护气氛下键合。
第二章线材
2.1 纯金属 2.1.1 金丝 2.1.2 铝丝 2.1.3 铜丝
第三章键合
3.1 键合方式 3.1.1 球形键合 3.1.2 楔形键合 3.1.3 比较 3.2 键合设备
3.3 键合工具 3.3.1 楔形劈刀 3.3.2 毛细管劈刀 3.4 键合点设计 3.4.1 输入因素 3.5 键合参数 3.6 键合评价 3.7 细间距能力比较 3.8 弧度走线方向
第四章失效
4.1 键合失效 4.1.1 焊盘清洁度 4.1.1.1 卤化物 4.1.1.2 镀层涂覆时的污染 4.1.1.3 硫 4.1.1.4 多种有机物污染 4.1.1.5 其他导致腐蚀或者破坏可键合性的物质 4.1.1.7 人为因素 4.1.2 焊盘产生弹坑 4.1.3 键合点开裂和翘起 4.1.3.1 开裂原因 4.1.4 键合点尾部不一致 4.1.5 键合点剥离 4.1.6 引线框架腐蚀

铜线键合演示幻灯片

5
与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。
铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
MEANING
Period III
FEATURE OF
COPPER
②．机械性能优越一般情况下,经过退火热处理
SITUATION
IV
BONDING
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铜丝键和与其他键和对于BONDINGPAD的设计也会有所差异，在焊盘的构造、大小、厚度方面的参数要求会有很大不同。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
PRESENT PERIOD
SITUATION
IV
BONDING PAD
铜丝与焊盘间IMC的形成比起其他的材料来说相对较薄，而且生长的速度会慢很多。比起Au要慢上一个数量级之多。
WIRE BONDING
1.超微细铜线的拉制目前,特别是拉制线径在l mil以下的超
微细丝,对拉线的断头率、表面质量和单轴长度(重量)都有较高的要求,同时为了提高生产率、扩大品种、增加技术经济效益,在线材的拉线速度和头数的要求越来越高;为
TROUBLE PERIOD
I
键合铜丝的制备提出更为苛刻的要求。目前,对于普通无氧铜来说,由于其存在大量晶界和铸造缺陷,当线径达到0.025mm以下时,
铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
MEANING
Period III

引线键合

引线键合(wire bonding，WB)引线键合的定义：用金属丝将芯片的I/O端（内侧引线端子）与相对应的封装引脚或者基板上布线焊区（外侧引线端子）互连，实现固相焊接过程，采用加热、加压和超声能，破坏表面氧化层和污染，产生塑性变形，界面亲密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点，键合区的焊盘金属一般为Al或者Au等，金属细丝是直径通常为20~50微米的Au、Al或者Si—Al丝。

历史和特点1957 年Bell实验室采用的器件封装技术，目前特点如下：• 已有适合批量生产的自动化机器；• 键合参数可精密控制，导线机械性能重复性高；• 速度可达100ms互连（两个焊接和一个导线循环过程）；• 焊点直径：100 μｍ↘ 50μｍ，↘ 30 μｍ；• 节距：100 μm ↘55 μm，↘35 μm ；• 劈刀(Wedge,楔头)的改进解决了大多数的可靠性问题；• 根据特定的要求，出现了各种工具和材料可供选择；•已经形成非常成熟的体系。

应用范围低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法，用于下列封装（适用于几乎所有的半导体集成电路元件，操作方便，封装密度高，但引线长，测试性差）1.陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片2.陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs)3.芯片尺寸封装 (CSPs)4.板上芯片 (COB)两种键合焊盘1.球形键合球形键合第一键合点第二键合点2.楔形键合楔形键合第一键合点第二键合点三种键合（焊接、接合）方法引线键合为IC晶片与封装结构之间的电路连线中最常使用的方法。

主要的引线键合技术有超音波接合（Ultrasonic Bonding, U/S Bonding）、热压接合(Thermocompression Bonding,T/C Bonding)、与热超音波接合(Thermosonic Bonding, T/S Bonding)等三种。

机理及特点1.超声焊接：超音波接合以接合楔头(Wedge)引导金属线使其压紧于金属焊盘上，再由楔头输入频率20至60KHZ，振幅20至200μm，平行于接垫平面之超音波脉冲，使楔头发生水平弹性振动，同时施加向下的压力。

第二讲微系统封装技术-引线键合

第二讲：引线键合
• 贴片：Die Bonding • 引线键合：Wire Bonding
贴片
• 贴片工艺：将芯片通过焊料或胶贴装到金属引线框架上使芯片与引线框架固连的过程。
表列举常用贴片用胶的性能；
优点
名称酚酰树脂类[Phenolics] 聚胺脂类 [Polyurethanes 聚酰胺树脂类 [Polyamides] 聚酰亚胺类 [Polyimides] 有机硅树脂类 [Silicons] 连接强度非常高返工容易返工容易大多数用于结构连接，固化温度较高，有一定腐蚀性. 不适用高于120℃，较高放气率,易分解。较高的吸湿性及放气性当组件暴露在高湿气氛中，电绝缘性变化固化温度高，需溶剂作为载体。中-低连接强度温度膨胀系数高，腐蚀性浸析性和放气性，与粘结剂固化温度有关低放气性• 在潮湿或温度上升 150℃]，连接强度降低。
白斑：Au2Al
键合强度（破坏性键合拉力试验）
试验条件引线成分和直径结构最小键合强度N 密封前 A A A A A A A B Al 18μ m Au 18μ m Al 25μ m Au 25μ m Al 32μ m Au 32μ m Al 33μ m Au 33μ m Al 38μ m Au 38μ m Al 50μ m Au 50μ m Al 76μ m Au 76μ m 各种规格引线引线引线引线引线引线引线倒装片 0.015 0.02 0.025 0.03 0.03 0.04 0.03 0.04 0.04 0.05 0.054 0.075 0.12 0.15 0.05×键合数密封后 0.010 0.015 0.015 0.025 0.02 0.03 0.02 0.03 0.025 0.04 0.04 0.054 0.08 0.12

引线键合(电子制造技术ppt)分解

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影响内引线键合可靠性的因素
界面上绝缘层的形成金属化层缺陷表面沾污, 原子不能互扩散材料间的接触应力不当环境不良键合引线与电源金属条之间放电引起失效(静电损伤)
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改进键合质量的措施
严格器材检验, 认真处理管壳及芯片
加强金属化工艺蒸发的前处理
清洁保护措施
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三种键合工艺比较
键合温度超声波键合工艺键合压力（℃）能量热压型超声型热超声型高低低 300-500 25 100-150 无有有适用适用引线材料焊盘材料 Au Au、Al Au Al、Au Al、Au Al、Au
4
两种键合形式比较
速度键合形式键合工艺键合工具引线材料焊盘材料 v/ N·s - 1 球键合楔键合
超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合球的变形起主导作用。过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起；过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键合工具更多的传递到键合点处
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引线键合材料
焊接工具
焊接工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。楔键合所使用的焊接工具叫楔形劈刀,通常是钨碳或是碳钛合金,在劈刀尾部有一个呈一定角度的进丝孔; 球键合使用的工具称为毛细管劈刀,它是一种轴形对称的带有垂直方向孔的陶瓷工具。
热压热超声
劈刀楔
Au Au、Al
Al、Au Al、Au
10(热超声） 4
热超声超声波
基本步骤：
芯片表面
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第一焊点，线弧
引线框架/基板
第二焊点
主要工艺参数介绍

引线键合详解

键合头镀层：
锥体角度(C.A.)主要影响到达键合位置的能力,
光滑涂层
尤其是细间距情况下以及到达第二点的距离。
•较长的使用寿命,
•要进行抛光,
•使得第二键合点光亮,
• 减少金属的残留和聚集
粗糙的涂层
•仅仅内斜面抛光,
•第二键合点强度高,
•第一键合点光亮 •提高超声能作用
பைடு நூலகம்
30/20 degree C.A 平颈
Au-Au 系：1. 金丝线与金焊盘键合最可靠, 2. 没有界面腐蚀和金属间化合物形成, 3. 即使进行冷超声也能形成键合, 4. 热压和热声焊很容易进行, 5. 表面污染严重影响热压焊的可键合性 Al-Al 系：1. 极其可靠,无IMC,无腐蚀,
2. 超声键合更好 Cu-Al 系：1. 在富铜的一边,会有5种IMC形成, 于是失效和Au-Al系相似。 2. 但是IMC的生长较慢,无柯肯达尔效应。 3. 但是由于脆性相CuAl 2 生长,剪切强度在150-200oC 会降低。 4. 在300-500oC, 键合强度显著降低,由于总的IMC厚度增加。 5. 铜氧化物层的存在会提高可靠性。 6. 氯的污染会导致腐蚀
成都工业学院微电子专业 10241 07 王倩
第一章概论
1.1 简介 1.2 工艺方法
1.2.1 超声焊接 1.2.2 热压焊接 1.2.3 热声焊接 1.3 特点
第二章线材
2.1 纯金属 2.1.1 金丝 2.1.2 铝丝 2.1.3 铜丝
2.2 金属冶金系 2.2.1 Au-Au系 2.2.2 Au-Al 系 2.2.3 Au-Cu系 2.2.4 Au-Ag 系 2.2.5 Al-Al 系 2.2.6 Al-Ag 系 2.2.7 Al-Ni 系 2.2.8 Cu-Al 系