打線接合

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打線接合(英語:Wire bonding)是一種積體電路封裝產業中的製程之一,利用線徑15-50微米的金屬線材將晶片(chip)及導線架(lead frame)連接起來的技術,使微小的晶片得以與外面的電路做溝通,而不需要增加太多的面積。其他類似的接合技術如覆晶接合(Flip-chip)或捲帶式自動接合(Tape-Automated Bonding, TAB)都已經越趨成熟,雖然覆晶接合逐漸在吞食打線接合的市場,但目前仍以打線接合為最常見的接合技術[1]

打線接合[编辑]

無論是何種打線接合的方法,都具有兩個銲接點,分別是位於晶片端的第一銲(First bond)及導線架端的第二銲(Second bond)。瓷嘴(capillary)是一種裝在打線機上的裝置,可讓線材穿過其中,類似縫紉機中的針,線材穿過位在打線機台上的瓷嘴,穿出瓷嘴的線材在晶片端經過下壓完成第一銲點後,線材就會與晶片上的基板連結,機器手臂上升將線引出瓷嘴,再將線材移往第二銲點,也就是導線架上的基板,一邊下壓一邊截斷線材,完成一個循環,緊接著再繼續下一打線接合的循環。 為了增加接合強度,在第二焊接點處,再壓上一顆球,稱之為BBOS (Bond Ball on Stitch);或先壓上一顆球,再把第二銲接合在球上,稱為BSOB(Bond Stitch on Ball)。

瓷嘴[编辑]

依照不同形狀的瓷嘴形狀,可將接合方式分為兩種,分別為楔型接合(wedge bonding)及球型接合(ball bonding),兩者擁有截然不同的第一銲點及第二銲點,因此具有不同的空間特性。

楔型接合[编辑]

楔型接合是將突出於瓷嘴的線材直接下壓至基板上,由於第一銲的限制,第二銲點的位置被限制在沿著第一銲接腳的方向上,無法如球型接合一樣自由,也因為如此,楔型接合的高度通常較球型接合來得小,外觀如拋物線一樣,銲點寬度約為1.5倍的線徑。

球型接合[编辑]

球型接合則是先經過一個放電製程,稱為放電結球(Electronic flame off, EFO),利用高壓電放電,將凸出瓷嘴的線熔化,因為表面張力的關係,金屬液體會凝固成一個球狀物,此時再下壓至基板上,接著引線向上,經過一個設定好的路徑,繞至第二銲點,直接下壓將線壓斷形成第二銲點,此魚尾形狀的第二銲點類似於楔型接合的銲點,常被誤認為楔型接合。 由於第一銲點的線材與基板呈現垂直的角度,因此第二銲點可自由選擇位置,不會受到第一銲位置的限制。此製程含有放電結球的步驟,因此稱之為球型接合,其銲點較楔型接合來得大,約2.5-5.0倍的線徑。 有時候為了降低球型接合的高度,會將一二銲位置交換,將二銲點接合在晶片上,使線材高度下降,業界稱為反打。


接合技術[编辑]

打線接合發展已經很久,依照接合力的來源可分為三種,分別為熱壓接合(Thermocompression bonding)、超音波接合(Ultrasonic bonding)及熱音波接合(Thermosonic bonding)。

熱壓接合[编辑]

貝爾實驗室在1957年發展一種物理連接技術,運用加熱及加壓,配合適合的下壓時間,將金屬線材連接至單晶線表面,利用此種方法,將兩金屬接合的溫度只需要250℃,較金鍺共晶溫度356℃來得低[2],因此在早期的打線接合是廣泛應用的技術。

超音波接合[编辑]

由於部分基板不適合加熱,因此1966年發展出另一項技術,在接合的同時導入一超音波,除了接合之外還可協助清潔基板表面,此種方法可在室溫下操作[3],由於不須加熱即可達到與熱壓接合相同的效果,因此逐漸取代熱壓接合成為主流。

熱音波接合[编辑]

結合兩者的優缺點,同時導入熱及超音波來接合,稱為熱音波接合。熱音波接合的溫度約控制在100-150℃,下壓力也遠低於超音波接合,可避免下壓力過大傷害基板,亦可避免溫度過高形成金屬間化合物。

接合材料[编辑]

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接合的基板通常是鋁薄膜,早期常用鋁線作為接合材料,鋁線雖便宜但易氧化,導電性也不是最好的,在封裝產業的可靠度要求越來越高的同時,使用不易氧化貴金屬逐漸成為趨勢。金線具有良好的導電性及不易氧化的特性,加上其良好的延展性,在微米級線材製作上不易斷裂,逐漸取代鋁線成為主流。但金線的價格高昂,在低成本及金價飆漲的同時,主流地位逐漸被取代。 金線是以高純度為主,但還是會添加極為微量的元素增加線材強度,一般來說都還可以維持在4N以上的純度。

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銅線,雖然是易氧化的材料,但其高強度的特性,可將線材製作到更細的線徑但維持相同的強度,銅鋁生成金屬間化合物的速度也是金鋁的十分之一[4],金屬間化合物是兩種金屬接觸而生成的化合物,會增加物件的電阻並產生熱,導致物件更快失效,因此採用銅線可以避免電阻大量升高並增加可靠度。銅線的高強度,可使線材挑戰更高難度的連接形狀,如封裝層疊。 雖然銅線價格低廉,但其易氧化的特性容易使晶片失效,因此在外層鍍上一層抗氧化的薄膜逐漸成為主流線材。因此,銅線的發展主要是以鍍層線及超高純度銅線為主流,其中鍍層線又以鈀金屬為最大宗,一般厚度都在100nm以下,通常主打低電阻的半導體封裝,因此會使銅線整體電阻上升的合金銅線不被考慮。

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銀線具有與金線接近的機械性質,具有較銅線優良的抗氧化特性,在LED的封裝中,其優良的反光特性可增加約10%的光量,逐漸被應用在部分的封裝中。銀線在放電結球時,可形成非常圓的球,銀線與鋁基板的接合效果也非常好,金屬間化合物的生成也相對較少[5],可以增加其接合的可靠度。 銀線的主流為合金線,銀含量越高代表其電阻率越低,而可能會影響其接合品質,但其優異的反光特性,使其較常被應用在LED封裝製程,其電阻率就不是最重要的考量因素,一般來說銀合金線的主成分通常為可互溶的銀金鈀三元素,依比例不同有不同的電阻率及功效。鍍層銀線也是一種被考慮的線材,通常選用的鍍層為金,由於芯部為純金屬銀,因此仍保有純銀的超低電阻特性,可提供給各種封裝形式使用。

參考資料[编辑]

  1. ^ George Harman. Wire bonding in microelectronics [微電子打線接合]. USA: McGraw Hill. 2010. ISBN 978-0-07-147623-2 (英语). 
  2. ^ O. L. Anderson, H. Christensen, P. Andreatch. Technique for Connecting Electrical Leads to Semiconductors. Journal of Applied Physics: 923–923. doi:10.1063/1.1722893. 
  3. ^ B. Langenecker. Effects of Ultrasound on Deformation Characteristics of Metals. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. March 1966, 13 (1): 1–8 [2018-04-02]. ISSN 0018-9537. doi:10.1109/t-su.1966.29367. 
  4. ^ C.D. Breach, F. Wulff. New observations on intermetallic compound formation in gold ball bonds: general growth patterns and identification of two forms of Au4Al. Microelectronics Reliability: 973–981. [2018-04-02]. doi:10.1016/j.microrel.2004.02.013. 
  5. ^ Hao-Wen Hsueh, Fei-Yi Hung, Truan-Sheng Lui, Li-Hui Chen. Microstructure, electric flame-off characteristics and tensile properties of silver bonding wires. Microelectronics Reliability: 2243–2249. [2018-04-02]. doi:10.1016/j.microrel.2011.07.062.