第二讲微系统封装技术-引线键合

150μm
引线键合材料的机械性能：断裂强度和延伸率
为了改善键合丝的性能如减小硬度，提高延展性并净化表面，需作退火处理。 退火处理：Au丝在高纯N2或真空中退火，温度500ºC，Al丝在H2中退火，温度400ºC 恒温15～20min 然后自然冷却。
可靠性问题：
引线弯曲疲劳、键合点剪切疲劳、 柯肯达尔效应、腐蚀、振动疲劳、 焊盘开裂等。
A
Al 76μ m 引线
Au 76μ m
B
各种规格
倒装片
最小键合强度N
密封前
密封后
0.015 0.02
0.010 0.015
0.025 0.03
0.015 0.025
0.03
0.02
0.04
0.03
源自文库0.03
0.02
0.04
0.03
0.04
0.025
0.05
0.04
0.054 0.075
0.04 0.054
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
聚酰亚胺类 [Polyimides]
温度稳定性非常高，温度稳 固化温度高，需溶剂作为载
定性非常高
体。中-低连接强度
- 有机硅树脂类 [Silicons]
柯肯达尔效应（kirkendall effect）是 指两种扩散速率不同的金属在扩散 过程中会形成缺陷 。
柯肯达尔空洞，裂缝。
紫斑：主要是指引线键合中Au-Al焊接界面上所产生的Au-Al 化合物，其成分为AuAl2，它的存在会严重影响到引线键合的 质量和可靠性 ， 300ºC，紫色金属间化合物AuAl2 白斑：Au2Al
键合技术的发展： 1.键合间距进一步减小，到40微米 2.键合弧度低于150微米 3.高可靠的Cu键合 4.快速的键合周期和低温（<170ºC）键合技术 5.高精度的摄像和位置反馈系统和伺服系统 6.多旋转头的键合设备。
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；
名称
优点
使用
酚酰树脂类[Phenolics]
聚胺脂类 [Polyurethanes - 聚酰胺树脂类 [Polyamides]
2）高纯度：目前，在我国的单晶铜丝（原材料）可以做 到99.999%（5N）或99.9999%（6N）的纯度;
3）机械性能好：与同纯度的金丝相比具有良好的拉伸、剪切 强度和延展性。单晶铜丝因其优异的机械电气性能和加工性能， 可满足封装新技术工艺，将其加工至¢0.03-0.015mm的单晶铜超 细丝代替金丝，从而使引线键合的间距更小、更稳定。
焊料熔点 焊接温度 焊接时间 摩擦功能
(℃)
(℃)
（min）
保护气
363
380-450
<1
需要
N2/N2+H2
引线键合
引线键合是利用金属细丝将芯片的I/O端和与其相对应的封 装引脚和基板上布线焊区互连的一个固相焊接过程。
金属丝材料：Au线、Al线、Cu线； 金属丝直径：数十微米至数百微米； 焊接方式： 按焊接能量分：热压焊、超声焊和热声焊三种。 超声波：60～120kHz 热压焊的键合温度：280～380ºC，键合时间：1s 超声焊的键合时间：25ms，超声波振动频率：60～120kHz 键合温度：70～80ºC 热声焊150～200ºC，键合时间：5~20ms 按键合工具的形状分：球形键合和楔形键合。
2.5
3.2
2.5
3.2
3.0
4.0
4.5
6.0
9.5
12.0
劈刀材料： 氧化铝和 碳化钨粉 末烧结工 艺制成
铝丝：室温下高可靠的单金属键合，但不耐腐蚀， 不能形成一致的无气孔的球。只适合楔形键合。 金丝：耐腐蚀，但成本高和键合温度达200ºC，适合 球形和楔形键合。
铜引线键合
单晶铜键合线代替键合金丝的优势及特点：
键合强度（破坏性键合拉力试验）
试验条件
引 线 成 分 结构 和直径
A
Al 18μ m 引线
Au 18μ m
A
Al 25μ m 引线
Au 25μ m
A
Al 32μ m 引线
Au 32μ m
A
Al 33μ m 引线
Au 33μ m
A
Al 38μ m 引线
Au 38μ m
A
Al 50μ m 引线
Au 50μ m
· 连接点的机械强度高，能承受各种冲击，震动等环 境条件。
· 涂布工艺简便，可采用印刷工艺，滴涂工艺。 · 环氧粘结芯片合格率高达100%。
Au-Sn 共晶贴片工艺
焊料熔点 （℃）
280
焊接温度 （℃）
290-310
焊接时间 （min）
<1
摩擦功能 需要
保护气 N2/N2+H2
Au-Si 共晶贴片工艺
- 在潮湿或温度上 升 150℃]，连接强度降低。
Epotek公司胶
在众多种类胶中，最为普遍使用的是环氧树脂类，其剂型 可分为单组分和双组分两种，环氧树脂类粘结剂的优点有；
· 较低的固化温度，单组分固化温度约在150℃以下， 不会造成对芯片的电性能和可靠性损坏。
· 双组分粘结剂的印后待置时间可达8-24小时。 · 发现芯片故障，加热到环氧树脂粘结剂的软化温度， 即可方便更换。
4）导电性、导热性好：单晶铜丝的导电率、导热率比金丝 提高20%，因此在和金丝径相同的条件下可以承载更大的电流， 键合金丝直径小于0.018mm时，其阻抗或电阻特性很难满足封 装要求。
5）低成本：单晶铜键合线成本只有键合金丝的1/3-1/10， 可节约键合封装材料成本90%；比重是键合金丝的1/2，1吨单晶 铜丝可替代2吨金丝； 当今半导体行业的一些显著变化直接影 响到了IC互连技术，其中成本因素也是推动互连技术发展的主 要因素。目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，其 封装成本超过0.2美元。而采用单晶铜丝键合不但能降低器件制 造成本，提高竞争优势。对于1密耳（0.001英寸）焊线，成本 最高可降低75%，2密耳可达90%。
1）单晶粒：相对目前的普通铜材（多晶粒），而单晶铜 丝只有一个晶粒，内部无晶界。而单晶铜杆有致密的定向凝 固组织，消除了横向晶界，很少有缩孔、气孔等铸造缺陷； 且结晶方向拉丝方向相同，能承受更大的塑性变形能力。此 外，单晶铜丝没有阻碍位错滑移的晶界，变形、冷作、硬化 回复快，所以是拉制键合引线（¢0.03-0.016mm）的理想材料。
0.12
0.08
0.15
0.12
0.05×键合数
非破坏性键合拉力试验
引线直径(μ m) 钩子直径(引线直径的倍数)
d≤50.8
最少2.0倍
50.8<d≤127 最少1.5倍
d>127
最少1.0倍，
铝和金引线直 径（μ m）
18 25 32 33 38 50 76
拉力（gf）
铝
金
1.2
1.6
2.0
2.4
返工容易，高纯净低放气性
温度膨胀系数高，
环氧树脂类[Epoxies]
采用加热和机械方法容易进 - 腐蚀性浸析性和放气 行返工，添加60-70% 导电 性，与粘结剂固化温度有关 或导热微粉，工艺简单， 低放气性•
氢基-丙稀酸树脂类 [Cyanocrylates]
501/502胶固化速快 </=[10sec]，连接强度非常 高。