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鍵合工藝發(fā)展經(jīng)歷了從引線鍵合到混合鍵合的過(guò)程。從上世紀(jì)70年代起，其發(fā)展歷程涵蓋了引線鍵合、倒裝、熱壓貼合、扇出型封裝和混合鍵合，連接方式從最初的引線鍵合到錫球再到銅 - 銅鍵合，單位面積連接密度提高了超過(guò)2000倍。

引線鍵合（Wire Bonding）是一種常見(jiàn)的封裝技術(shù)。它通過(guò)加熱、加壓、超聲波能量等方式將金屬引線與基板焊盤(pán)緊密焊合，實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通。

現(xiàn)有的用于引線鍵合工藝的金屬引線主要有金線、鋁線和銅線，這幾種金屬引線各有優(yōu)劣。比如金線具有導(dǎo)電性好，耐腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但是金線的成本高。鋁線的成本低廉，但是其容易腐蝕，且很容易斷裂，所以常用在一些相對(duì)低端的封裝中。銅線價(jià)格也比較便宜，而且現(xiàn)有的芯片金屬布線大多采用銅布線，因此采用銅線鍵合能更好地與芯片工藝兼容。但銅線的硬度太高，鍵合過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋甚至剝落現(xiàn)象。

而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路封裝的高密度、高強(qiáng)度、低成本要求日益增長(zhǎng)。在這一背景下，銅絲鍵合技術(shù)因其成本效益和優(yōu)異的物理性能，逐漸成為金絲鍵合的有力替代品。銅絲不僅價(jià)格低廉，而且具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、更低的電阻率以及更慢的銅鋁金屬間化合物(IMC)生長(zhǎng)速度，這些特性使得銅絲在高密度封裝中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

然而，銅絲鍵合技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一系列挑戰(zhàn)。銅絲易氧化、硬度高，這些特性在鍵合過(guò)程中可能導(dǎo)致芯片損傷、氧化層形成等問(wèn)題，影響鍵合的質(zhì)量和可靠性。此外，銅絲在封裝后還可能受到塑封材料中鹵化物的腐蝕，進(jìn)一步增加了失效風(fēng)險(xiǎn)。

所以，根據(jù)采用的金屬引線的材質(zhì)不同，鍵合工藝也有差異。比如金線普遍采用熱超聲鍵合，且采用球形鍵合，即將鍵合引線垂直插入毛細(xì)管劈刀的工具中，引線端部受熱熔成球狀，在劈刀的引導(dǎo)下接觸晶片的鍵合區(qū)，加壓后，使金球和焊盤(pán)金屬焊接在一起，然后劈刀提起，沿著預(yù)定的軌道移動(dòng)，到達(dá)第二個(gè)鍵合點(diǎn)時(shí)，利用壓力和超聲能量形成月牙式焊點(diǎn)，劈刀垂直運(yùn)動(dòng)截?cái)嘟饘俳z的尾部，鍵合過(guò)程完成。鋁絲鍵合則較多地采用楔形引線鍵合法，將金屬絲穿入楔形劈刀背面的一個(gè)小孔，通過(guò)移動(dòng)劈刀將金屬絲壓在焊區(qū)表面，采用超聲或熱聲焊實(shí)現(xiàn)前一個(gè)焊點(diǎn)的鍵合，隨后劈刀上升并移動(dòng)到第二個(gè)鍵合點(diǎn)時(shí)，再次利用壓力和超聲能量形成第二個(gè)鍵合焊點(diǎn)，劈刀垂直向下運(yùn)動(dòng)截?cái)嘟饘俳z的尾部，完成鍵合。

引線鍵合主要分為兩種形式：球形鍵合（Ball Bonding）和楔形鍵合（Wedge Bonding）。這兩種技術(shù)都涉及三個(gè)基本步驟：在芯片上形成第一焊點(diǎn)、形成線弧、以及在引線框架或基板上形成第二焊點(diǎn)。它們的主要區(qū)別在于第一焊點(diǎn)的形成方式：球形鍵合在每次焊接開(kāi)始時(shí)會(huì)形成一個(gè)焊球，然后將其焊接到焊盤(pán)上；而楔形鍵合則是直接將引線焊接到芯片焊盤(pán)上。

一、楔形鍵合（Wedge Bonding）工藝的介紹

楔形鍵合，英文全稱：Wedge Bonding，此工藝其實(shí)是半導(dǎo)體超聲熱壓鍵合的一種基本工藝技術(shù)。該技術(shù)利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，使鍵合設(shè)備的鉚釘在水平方向上產(chǎn)生彈性振動(dòng)，同時(shí)施加向下的壓力。這種振動(dòng)和壓力共同作用，使鉚釘帶動(dòng)引線在被焊件金屬表面快速摩擦，從而在焊接區(qū)造成塑性變形，并去除金屬表面的氧化層。引線與鍵合區(qū)因此得以緊密接觸，完成焊接。超聲波楔鍵合工藝兩端的鍵合點(diǎn)一般呈楔形，這種形狀有助于增強(qiáng)鍵合的牢固度和穩(wěn)定性。

二、楔形鍵合（Wedge Bonding）工藝的原理

楔形鍵合通過(guò)楔形劈刀傳遞熱能、壓力和超聲能量給金屬線，形成焊接。這種焊接過(guò)程中不形成焊球。在劈刀壓力和超聲作用下，金屬線與焊盤(pán)金屬接觸形成連接。楔形鍵合是單向焊接工藝，第二焊點(diǎn)需與第一焊點(diǎn)對(duì)齊。旋轉(zhuǎn)式楔形劈刀可適應(yīng)不同角度的焊線。楔形鍵合通常用于室溫下的鋁線超聲波鍵合，成本和溫度較低。由于焊點(diǎn)小，適合微波和大功率器件的封裝。

楔形鍵合是用楔形劈刀將熱、壓力、超聲傳給金屬線,在一定時(shí)間形成焊接,焊接過(guò)程中不出現(xiàn)焊球。在劈刀的壓力和超聲波能量的作用下,金屬線和焊盤(pán)金屬的純凈表面接觸并最終形成連接。楔形鍵合是一種單一方向焊接工藝(即第二焊點(diǎn)必須對(duì)準(zhǔn)第一焊點(diǎn)的方向)。傳統(tǒng)的楔形鍵合僅僅能在線的平行方向上形成焊點(diǎn),旋轉(zhuǎn)的楔形劈刀能使楔形鍵合機(jī)適合不同角度的焊線,在完成引線操作后移動(dòng)到第二焊點(diǎn)之前劈刀旋轉(zhuǎn)到程序規(guī)定的角度。常見(jiàn)楔形鍵合工藝是室溫下的鋁線超聲波鍵合,其成本和鍵合溫度較低。由于楔形鍵合形成的焊點(diǎn)小于球形鍵合,特別適用于微波器件,尤其是大功率器件的封裝。

三、楔形鍵合（Wedge Bonding）工藝流程

因?yàn)樾ㄐ捂I合是通過(guò)加壓和加熱的方式，使金屬引線與焊區(qū)接觸面的原子之間達(dá)到原子引力范圍，從而實(shí)現(xiàn)鍵合。這種方法的具體過(guò)程如下：

1、準(zhǔn)備金屬引線

金屬引線的一端成球形，另一端成楔形。

2、鍵合過(guò)程

鍵合頭將金球下壓在已預(yù)熱到150~250℃的第一焊點(diǎn)，進(jìn)行球形鍵合。在鍵合時(shí)，金球因受壓力而略微變形，以增加鍵合面積、降低鍵合面粗糙度對(duì)鍵合的影響，并穿破金屬表面氧化層等阻礙鍵合的因素，形成緊密的鍵合。

3、焊點(diǎn)形狀

熱壓焊鍵合完成后，會(huì)形成兩個(gè)焊點(diǎn)，第一焊點(diǎn)呈球形，第二焊點(diǎn)即金屬引線鍵合結(jié)束時(shí)的焊點(diǎn)，呈楔形。

四、楔形鍵合（Wedge Bonding）工藝技術(shù)的重點(diǎn)介紹

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五、鍵合工藝技術(shù)的挑戰(zhàn)和發(fā)展

隨著芯片設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，鍵合工藝也面臨著不少挑戰(zhàn)。例如，隨著芯片上的元件數(shù)量的增加，需要更精細(xì)、更緊湊的鍵合技術(shù)來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。

另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的興起，對(duì)高性能和低功耗的需求也在增加。這要求鍵合技術(shù)不僅要有高的信號(hào)傳輸速度，而且要有低的功耗。

為了滿足這些挑戰(zhàn)，各種鍵合技術(shù)都在持續(xù)進(jìn)行研究和發(fā)展，如引入新材料、改進(jìn)設(shè)備和工藝等，以提高性能和降低成本。

總結(jié)一下

在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，鍵合技術(shù)經(jīng)歷了從引線鍵合、TAB到倒裝芯片再到混合鍵合的演進(jìn)過(guò)程。下表對(duì)四種鍵合方式的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況做了詳細(xì)對(duì)比：

總的來(lái)說(shuō)：芯片鍵合工藝是半導(dǎo)體制造中不可或缺的一環(huán)。它確保了各種設(shè)備的高效、可靠和持久運(yùn)行。雖然Wedge、Ball和Bump鍵合各有優(yōu)勢(shì)，但選擇哪種方法取決于具體的應(yīng)用、設(shè)計(jì)和環(huán)境要求。隨著科技的不斷進(jìn)步，我們可以預(yù)期，這些鍵合技術(shù)將更加先進(jìn)，更加精細(xì)，以滿足未來(lái)更高的技術(shù)和性能要求。

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審核編輯 黃宇