第二讲微系统封装技术-引线键合

使 用
源自文库
温度稳定性非常高，温度稳 定性非常高 返工容易，高纯净低放气性 采用加热和机械方法容易进 行返工，添加60-70% 导电 或导热微粉，工艺简单， 501/502胶固化速快 </=[10sec]，连接强度非常 高。
环氧树脂类[Epoxies]
氢基-丙稀酸树脂类 [Cyanocrylates]
Epotek公司胶
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。 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%。
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 保护气
需要
N2/N2+H2
Au-Si 共晶贴片工艺
焊料熔点 (℃) 焊接温度 (℃) 380-450 焊接时间 （min） <1 摩擦功能 保护气
363
需要
N2/N2+H2
键合温度：70～80º C
热声焊150～200º C，键合时间：5~20ms 按键合工具的形状分：球形键合和楔形键合。
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500º C，Al丝在H2中退火，温度400º C 恒温15～20min 然后自然冷却。
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（<170º C）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。
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200º C，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： 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。 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;
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。 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 ， 300º C，紫色金属间化合物AuAl2
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。
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）
铝 18 25 32 33 38 50 76 1.2 2.0 2.5 2.5 3.0 4.5 9.5
拉力（gf）
金 1.6 2.4 3.2 3.2 4.0 6.0 12.0
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
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：280～380º C，键合时间：1s 超声焊的键合时间：25ms，超声波振动频率：60～120kHz
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。 · 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%。