电子封装超声引线键合技术及国内外研究动态、发展趋势

电子封装超声引线键合技术及国内外研究动态、发展趋势学号：080401241 班级：A08机械2班姓名：韩晶晶

电子封装技术的发展阶段

随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛发展，计算机、移动电话等产品的迅速普及，使得电子产业成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一，电子产业的发展也带动了与之密切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。电子封装已从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融人到芯片制造技术和系统集成技术之中。电子工业的发展离不开电子封装的发展，20世纪最后二十年，随着微电子、光电子工业的巨变，为封装技术的发展创造了许多机遇和挑战，各种先进的封装技术不断涌现，如BGA、CSP、FCI P、WLP、MCM、SIP等，市场份额不断增加，2000年已达208亿美元，电子封装技术已经成为20世纪发展最快、应用最广的技术之一。随着21世纪纳米电子时代的到来，电子封装技术必将面临着更加严峻的挑战，也孕育着更大的发展。

电子封装技术的发展是伴随着器件的发展而发展起来的，一代器件需要一代封装，它的发展史应当是器件性能不断提高、系统不断小型化的历史，以集成电路所需的微电子封装为例，其大致可分为以下几个发展阶段：

第一个阶段：80年代之前的通孑L安装(THD)时代，通孔安装时代以TO型封装和双列直插封装为代表，IC的功能数不高，弓td却数较小(小于64)，板的装配密度的增加并不重要，封装可由工人用手插入PCB板的通孔中，引线节距固定，引线数的增加将意味着封装尺寸的增大，封装的最大安装密度是10脚／cm'，随着新的封装形式的不断涌现，这类封装将加速萎缩，预计其市场份额将从2000年的15％降到2005年的7％。

第二个阶段：80年代的表面安装器件时代，表面安装器件时代的代表是小外形封装(SOP)和扁平封装(QFP)，他们大大提高了管脚数和组装密度，是封装技术的一次革命，正是这类封装技术支撑着日本半导体工业的繁荣，当时的封装技术也由日本主宰，因此周边引线的节距为公制(1.0、0.8、0.65、0.5、0.4mm)，并且确定了80％的收缩原则，这些封装的设计概念与DIP不同，其封装体的尺寸固定而周边的引线节距根据需要而变化，这样也提高了生产率，最大引线数达到300，安装密度达到10-50脚／cm'，此时也是金属引线塑料封装的黄金时代。

第三个阶段：90年代的焊球阵列封装(BGA)／芯片尺寸封装(CSP)时代，日本的半导体工业在80年代一直领先于美国，而90年代美国超过了日本，占据了封装技术的主导地位，他们加宽了引线节距并采用了底部安装引线的BGA封装，BGA的引线节距主要有1.5mm和1.27mm两

种，引线节距的扩大极大地促进了安装技术的进步和生产效率的提高，BGA封装的安装密度大约是40-60脚／cm2，随后日本将BGA的概念用于CSP，开发了引线节距更小的CSP封装，其引线节距可小到1.0mm以下，CSP封装进一步减少了产品的尺寸和重量，提高了产品的竞争力，随着CSP在日本的大批量生产，BGA时代也就慢慢地过渡到了BGA／CSP时代。

封装业界普遍预测21世纪的头十年将迎来微电子封装技术的第四个发展阶段3D叠层封装时代--其代表性的产品将是系统级封装(SIP:sy ST emin a package)，它在封装观念上发生了革命性的变化，从原来的封装元件概念演变成封装系统，SIP实际上就是一系统基的多芯片封装(sys te mMCP)，它是将多个芯片和可能的无源元件集成在同一封装内，形成具有系统功能的模块，因而可以实现较高的性能密度、更高的集成度、更小的成本和更大的灵活性，与第一代封装相比，封装效率提高60-80％，使电子设备减小1000倍，性能提高10倍，成本降低90％，可靠性增加10倍。

电子封装技术的发展趋势

电子器件的小型化、高性能化、多功能化、低成本化等要求将继续推动着电子封装技术向着更高的性能发展，纵观近几年的电子封装产业，其发展趋势如下：

●电子封装技术继续朝着超高密度的方向发展，出现了三维封装、多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的封装形式。

●电子封装技术继续朝着超小型的方向发展，出现了与芯片尺寸大小相同的超小型封装形式--圆晶级封装技术(WLP)。

●电子封装技术从二维向三维方向发展，不仅出现3D-MCM，也出现了3D-SIP等封装形式。

●电子封装技术继续从单芯片向多芯片发展，除了多芯片模块(MCM)外还有多芯片封装(MCP)、系统级封装(SIP)及叠层封装等。

●电子封装技术从分立向系统方向发展，出现了面向系统的SOC(片上系统)、SOP和SIP等封装形式。

●电子封装技术继续向高性能、多功能方向发展，高频、大功率、高性能仍然是发展的主题。

●电子封装技术向高度集成方向发展，出现了板级集成、片级集成和封装集成等多种高集成方式。

电子封装的最新进展

在过去的40年，电子封装技术在封装材料、封装技术、封装性能以及封装的应用等方面均取得了巨大的进步，封装效率成几何倍数增长(硅片面积与封装面积的比值)，PGA的封装效率小于10％，BGA是20％，CSP的封装效率大于80％，MCM的封装效率可达90％，在最近几年，随着新的封装技术的出现，封装效率可超过100％，五芯片叠层封装的封装效率可达

引线键合工艺

WB随着前端工艺的发展正朝着超精细键合趋势发展。WB过程中，引线在热量、压力或超声能量的共同作用下，与焊盘金属发生原子间扩散达到键合的目的。根据所使用的键合工具如劈刀或楔的不同，WB分为球键合和楔键合。根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合。根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。冷超声键合常为铝线楔键合。热超声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。

键合质量的判定标准

键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。通常使用键合拉力测试（BPT）、键合剪切力测试（BST）。影响BPT结果的因素除了工艺参数以外，还有引线参数（材质、直径、强度和刚度）、吊钩位置、弧线高度等。因此除了确认BPT的拉力值外，还需确认引线断裂的位置。主要有四个位置：⑴第一键合点的界面；⑵第一键合点的颈部；⑶第二键合点处；⑷引线轮廓中间。

BST是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力。剪切力测试可能会因为测试环境不同或人为原因出现偏差，Liang等人 [1]介绍了一种简化判断球剪切力的方法，提出简化键合参数（RBP）的概念，即RBP=powe rA ×forceB×timeC ，其中A，B，C 为调整参数，一般取0.80， 0.40，0.20。

此外，键合标准对于键合点的形状，如第一键合点的直径、厚度等，也有一定要求，这些将直接影响器件的可靠性。

超声系统

US作为键合设备的核心部件，由发生器、换能器和聚能器组成。其中换能器负责电能到机械能的转换作用，最为重要。通过调整换能器可以改变键合工具的振动轨迹、振动幅度之后耦合的聚能器和键合工具部分负责超声能量的放大和传递，共同决定了系统谐振频率。几何尺寸固定的情况下，键合工具的振动幅度主要随超声功率的增大而增大，受键合力的影响很小。并且超声功率越大，达到最大键合强度的时间越短，反映出越快的键合速度。但是过大的超声功率会导致焊盘产生裂纹或硬化，降低键合强度。良好的自动键合机需要对超声振幅和键合时间等参数进行实时的监控。

键合工具

键合工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。其为了增大第一键合点的键合强度，应适当减小内斜面的直径。超细键合所使用的劈刀无论在制作工艺和形状上都有重大