引线键合
引线键合（英语：Wire bonding）是一种集成电路封装产业中的工艺之一[1]，利用线径15-50微米的金属线材将芯片（chip）及导线架（lead frame）连接起来的技术，使微小的芯片得以与外面的电路做沟通，而不需要增加太多的面积。其他类似的接合技术如覆晶接合（Flip-chip）或卷带式自动接合（Tape-Automated Bonding，缩写：TAB）都已经越趋成熟，虽然覆晶接合逐渐在吞食引线键合的市场，但目前仍以引线键合为最常见的接合技术[2]。
引线键合
[编辑]无论是何种引线键合的方法，都具有两个焊接点，分别是位于芯片端的第一焊(First bond)及导线架端的第二焊(Second bond)。瓷嘴(capillary)是一种装在打线机上的装置，可让线材穿过其中，类似缝纫机中的针，线材穿过位在打线机台上的瓷嘴，穿出瓷嘴的线材在芯片端经过下压完成第一焊点后，线材就会与芯片上的衬底连结，机器手臂上升将线引出瓷嘴，再将线材移往第二焊点，也就是导线架上的衬底，一边下压一边截断线材，完成一个循环，紧接着再继续下一引线键合的循环。 为了增加接合强度，在第二焊接点处，再压上一颗球，称之为BBOS (Bond Ball on Stitch)；或先压上一颗球，再把第二焊接合在球上，称为BSOB(Bond Stitch on Ball)。
瓷嘴
[编辑]依照不同形状的瓷嘴形状，可将接合方式分为两种，分别为楔型接合(wedge bonding)及球型接合(ball bonding)，两者拥有截然不同的第一焊点及第二焊点，因此具有不同的空间特性。
楔型接合
[编辑]楔型接合是将突出于瓷嘴的线材直接下压至衬底上，由于第一焊的限制，第二焊点的位置被限制在沿着第一焊接脚的方向上，无法如球型接合一样自由，也因为如此，楔型接合的高度通常较球型接合来得小，外观如抛物线一样，焊点宽度约为1.5倍的线径。
球型接合
[编辑]球型接合则是先经过一个放电工艺，称为放电结球(Electronic flame off, EFO)，利用高压电放电，将凸出瓷嘴的线熔化，因为表面张力的关系，金属液体会凝固成一个球状物，此时再下压至衬底上，接着引线向上，经过一个设定好的路径，绕至第二焊点，直接下压将线压断形成第二焊点，此鱼尾形状的第二焊点类似于楔型接合的焊点，常被误认为楔型接合。 由于第一焊点的线材与衬底呈现垂直的角度，因此第二焊点可自由选择位置，不会受到第一焊位置的限制。此工艺含有放电结球的步骤，因此称之为球型接合，其焊点较楔型接合来得大，约2.5-5.0倍的线径。 有时候为了降低球型接合的高度，会将一二焊位置交换，将二焊点接合在芯片上，使线材高度下降，业界称为反打。
接合技术
[编辑]引线键合发展已经很久，依照接合力的来源可分为三种，分别为热压接合(Thermocompression bonding)、超声波接合(Ultrasonic bonding)及热音波接合(Thermosonic bonding)。
热压接合
[编辑]贝尔实验室在1957年发展一种物理连接技术，运用加热及加压，配合适合的下压时间，将金属线材连接至单晶线表面，利用此种方法，将金锗两金属接合的温度只需要250℃，较金锗共晶温度356℃来得低[3]，因此在早期的引线键合是广泛应用的技术。
超声波接合
[编辑]由于部分衬底不适合加热，因此1966年发展出另一项技术，在接合的同时导入一超声波，除了接合之外还可协助清洁衬底表面，此种方法可在室温下操作[4]，由于不须加热即可达到与热压接合相同的效果，因此逐渐取代热压接合成为主流。
热音波接合
[编辑]结合两者的优缺点，同时导入热及超声波来接合，称为热音波接合。热音波接合的温度约控制在100-150℃，下压力也远低于超声波接合，可避免下压力过大伤害衬底，亦可避免温度过高形成金属间化合物。
接合材料
[编辑]金
[编辑]接合的衬底通常是铝薄膜，早期常用铝线作为接合材料，铝线虽便宜但易氧化，导电性也不是最好的，在封装产业的可靠度要求越来越高的同时，使用不易氧化的贵金属逐渐成为趋势。金线具有良好的导电性及不易氧化的特性，加上其良好的延展性，在微米级线材制作上不易断裂，逐渐取代铝线成为主流。但金线的价格高昂，在低成本及金价飙涨的同时，主流地位逐渐被取代。 金线是以高纯度为主，但还是会添加极为微量的元素增加线材强度，一般来说都还可以维持在4N以上的纯度。
铜
[编辑]铜线，虽然是易氧化的材料，但其高强度的特性，可将线材制作到更细的线径但维持相同的强度，铜铝生成金属间化合物的速度也是金铝的十分之一[5]，金属间化合物是两种金属接触而生成的化合物，会增加物件的电阻并产生热，导致物件更快失效，因此采用铜线可以避免电阻大量升高并增加可靠度。铜线的高强度，可使线材挑战更高难度的连接形状，如封装层叠。 虽然铜线价格低廉，但其易氧化的特性容易使芯片失效，因此在外层镀上一层抗氧化的薄膜逐渐成为主流线材。因此，铜线的发展主要是以镀层线及超高纯度铜线为主流，其中镀层线又以钯金属为最大宗，一般厚度都在100nm以下，通常主打低电阻的半导体封装，因此会使铜线整体电阻上升的合金铜线不被考虑。
银
[编辑]银线具有与金线接近的机械性质，具有较铜线优良的抗氧化特性，在LED的封装中，其优良的反光特性可增加约10%的光量，逐渐被应用在部分的封装中。银线在放电结球时，可形成非常圆的球，银线与铝衬底的接合效果也非常好，金属间化合物的生成也相对较少[6]，可以增加其接合的可靠度。 银线的主流为合金线，银含量越高代表其电阻率越低，而可能会影响其接合品质，但其优异的反光特性，使其较常被应用在LED封装工艺，其电阻率就不是最重要的考量因素，一般来说银合金线的主成分通常为可互溶的银金钯三元素，依比例不同有不同的电阻率及功效。镀层银线也是一种被考虑的线材，通常选用的镀层为金，由于芯部为纯金属银，因此仍保有纯银的超低电阻特性，可提供给各种封装形式使用。
参考资料
[编辑]- ^ Henkel Taiwan. 引线键合半导体封装. Henkel Taiwan. 台湾汉高股份有限公司. [2023-03-10]. （原始内容存档于2023-03-10）.
- ^ George Harman. Wire bonding in microelectronics [微电子引线键合]. USA: McGraw Hill. 2010. ISBN 978-0-07-147623-2 （英语）.
- ^ O. L. Anderson, H. Christensen, P. Andreatch. Technique for Connecting Electrical Leads to Semiconductors. Journal of Applied Physics: 923–923. [2018-04-02]. doi:10.1063/1.1722893. （原始内容存档于2019-11-30）.
- ^ 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. （原始内容存档于2019-11-30）.
- ^ 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. （原始内容存档于2019-11-30）.
- ^ 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. （原始内容存档于2019-11-30）.