【博主簡介】本人“愛在七夕時”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

引線鍵合技術(shù)是半導(dǎo)體封裝工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，主要利用金、鋁、銅、錫等金屬導(dǎo)線建立引線與半導(dǎo)體內(nèi)部芯片之間的聯(lián)系。這種技術(shù)能夠?qū)⒔饘俨己竻^(qū)或微電子封裝I/O引線等與半導(dǎo)體芯片焊區(qū)連接，是確保半導(dǎo)體功能得以正常發(fā)揮的關(guān)鍵步驟。

在引線鍵合過程中，金屬線被焊接到芯片引線或基板上的金屬引腳上。這種技術(shù)特別適用于微小封裝和高密度布局，能夠提供良好的電性能和較低的電阻。焊線的目的是將晶粒上的接點以極細的金線（18~50μm）連接到引線架上的內(nèi)引腳，從而將集成電路晶粒的電路信號傳輸?shù)酵饨纭?/p>

引線鍵合工藝中所用的導(dǎo)電絲主要有金絲、銅絲和鋁絲。不同的金屬絲在鍵合過程中有各自的特點和適用場景。例如，金絲因其良好的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性而被廣泛使用，但成本較高；銅絲則具有較低的生產(chǎn)成本和良好的導(dǎo)電性能，因此在半導(dǎo)體封裝以及集成電路、LED等眾多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用；鋁絲則常用于超聲鍵合工藝中。

引線鍵合的主要方式包括熱壓鍵合、超聲鍵合和熱聲鍵合。熱壓鍵合利用加壓和加熱的方法，使得金屬絲與焊區(qū)接觸面的原子間達到原子間的引力范圍，從而實現(xiàn)鍵合；超聲鍵合則是利用超聲波發(fā)生器使劈刀發(fā)生水平彈性振動，同時施加向下的壓力，使得劈刀帶動引線在焊區(qū)金屬表面迅速摩擦，完成焊接；熱聲鍵合則是結(jié)合了熱壓和超聲兩種方法的特點。

此外，引線鍵合技術(shù)還直接影響到封裝的總厚度，因此在封裝設(shè)計時需要綜合考慮。總的來說，引線鍵合技術(shù)是半導(dǎo)體封裝中不可或缺的一環(huán)，其施工質(zhì)量對于半導(dǎo)體功能應(yīng)用的發(fā)揮具有較大影響。以下就是今天要跟大家分享的關(guān)于引線鍵合工藝技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，講得不對或是有遺漏之處，還希望大家多多批評指正；

一、Wire Bonding（引線鍵合）的原理

引線鍵合通過金屬線（通常為金線、銅線或鋁線）將芯片的焊盤（Bond Pad）與封裝基板或引線框架連接，實現(xiàn)電氣和機械連接。

1、IC封裝中電路連接的三種方式

（1）、倒裝焊（Flip chip bonding)

原理：將芯片正面朝下，通過焊球（Bump）直接與基板連接。

特點：(a)連接路徑短，電氣性能優(yōu)越；(b)支持高密度封裝，適用于高頻應(yīng)用；(c)工藝復(fù)雜，成本較高。

應(yīng)用：高性能處理器、存儲器、射頻器件等。

（2）、載帶自動焊（TAB---tape automated bonding)

原理：使用柔性載帶（Tape）上的金屬引線將芯片與基板連接。

特點：(a)適合多引腳、高密度封裝；(b)生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模生產(chǎn)；(c)設(shè)備和材料成本較高。

應(yīng)用：液晶顯示器驅(qū)動 IC、傳感器等。

（3）、引線鍵合（wire bonding)

原理：通過金屬線（如金線、銅線或鋁線）將芯片的焊盤與封裝基板或引線框架連接。

特點：（a)技術(shù)成熟，成本較低；（b）適用于多種封裝類型（如 QFP、BGA）；（c）對焊盤和引線框架的精度要求較高。

應(yīng)用：廣泛用于消費電子、汽車電子等領(lǐng)域。

二、Wire Bonding（引線鍵合）的作用

電路連線，使芯片與封裝基板或?qū)Ь€框架完成電路的連線，以發(fā)揮電子訊號傳輸?shù)墓δ?，以下是引線鍵合的主要作用：

1、電氣連接

信號傳輸：將芯片的焊盤（Bond Pad）與封裝基板或引線框架連接，實現(xiàn)信號和電力的傳輸。

低電阻路徑：通過金屬線（如金線、銅線或鋁線）提供低電阻的電氣連接，確保電路性能。

2、機械連接

固定芯片：將芯片牢固地固定在封裝基板或引線框架上，防止移動或損壞。

應(yīng)力緩沖：金屬線的柔韌性可以緩解熱膨脹或機械振動帶來的應(yīng)力，保護芯片。

3、熱管理

散熱路徑：金屬線可以作為輔助散熱路徑，幫助芯片將熱量傳導(dǎo)到封裝外部。

熱應(yīng)力分散：通過合理設(shè)計鍵合線布局，分散熱應(yīng)力，提高封裝可靠性。

4、工藝靈活性

適應(yīng)多種封裝類型：引線鍵合適用于多種封裝形式，如 QFP、BGA 等。

兼容不同材料：支持金線、銅線、鋁線等多種材料，滿足不同應(yīng)用需求。

5、成本效益

技術(shù)成熟：引線鍵合工藝成熟，設(shè)備成本相對較低。

生產(chǎn)效率高：適合大規(guī)模生產(chǎn)，降低封裝成本。

6、應(yīng)用領(lǐng)域

消費電子：如手機、電腦、家電等。

汽車電子：如發(fā)動機控制單元、傳感器等。

工業(yè)控制：如功率器件、控制器等。

總之，引線鍵合在半導(dǎo)體封裝中扮演著至關(guān)重要的角色，不僅實現(xiàn)了電氣和機械連接，還提供了熱管理和成本效益的優(yōu)勢。隨著技術(shù)進步，引線鍵合工藝在高密度封裝和高頻應(yīng)用中不斷優(yōu)化，繼續(xù)發(fā)揮著重要作用。

三、Wire Bonding（引線鍵合）的分類

引線鍵合（Wire Bonding）是半導(dǎo)體封裝中的關(guān)鍵技術(shù)，它的分類方式多樣，根據(jù)鍵合方式、材料、形狀、應(yīng)用場景和自動化程度的不同，可以選擇合適的工藝和技術(shù)。每種分類方式都有其特定的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢，需根據(jù)實際需求進行選擇。

1、按鍵合形狀的分類

球鍵合（Ball Bonding）：第一鍵合點形成球狀，第二鍵合點為楔形。適用于金線和銅線。

楔鍵合（Wedge Bonding）：第一鍵合點和第二鍵合點均為楔形。適用于鋁線和金線。

2、按鍵合方式的分類

熱壓鍵合（Thermocompression Bonding）：通過加熱和壓力將金屬線與焊盤連接。適用于金線和銅線。

超聲波鍵合（Ultrasonic Bonding）：利用超聲波振動和壓力實現(xiàn)連接。適用于鋁線和金線。

熱聲鍵合（Thermosonic Bonding）：結(jié)合熱壓和超聲波技術(shù)，適用于金線。

1.熱壓焊	300-500℃	無超聲	高壓力	引線：Au
2.超聲焊	室溫22~28	有超聲	低壓力	引線：Al、 Au
3.熱超聲焊	100~150℃	有超聲	低壓力	引線：Au

3、按金屬材料的分類

金線鍵合：導(dǎo)電性好，耐腐蝕，成本高。適用于高可靠性應(yīng)用。

銅線鍵合：成本低，導(dǎo)電性好，但易氧化。適用于低成本和高功率應(yīng)用。

鋁線鍵合：成本低，適用于大電流應(yīng)用。常用于功率器件和汽車電子。

4、按應(yīng)用場景的分類

傳統(tǒng)引線鍵合：用于標(biāo)準(zhǔn)封裝（如 QFP、BGA）。

細間距引線鍵合：用于高密度封裝，支持更小的焊盤間距。

功率器件引線鍵合：用于大電流和高功率應(yīng)用，通常使用鋁線或銅線。

5、按自動化程度的分類

手動引線鍵合：適用于小批量生產(chǎn)或特殊應(yīng)用。

自動引線鍵合：適用于大規(guī)模生產(chǎn)，效率高，一致性好。

四、Wire Bonding（引線鍵合）的四要素

引線鍵合的四要素（材料選擇、工藝參數(shù)、設(shè)備與工具、工藝控制與優(yōu)化）共同決定了鍵合的質(zhì)量和可靠性。通過合理選擇和優(yōu)化這些要素，可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的引線鍵合工藝。

1、材料選擇

金屬線：常用的金屬線包括金線、銅線和鋁線，選擇依據(jù)包括導(dǎo)電性、成本和應(yīng)用場景。

金線：導(dǎo)電性好，耐腐蝕，成本高。

銅線：成本低，導(dǎo)電性好，但易氧化。

鋁線：成本低，適用于大電流應(yīng)用。

焊盤材料：通常為鋁或銅，需與金屬線兼容。

2、工藝參數(shù)

溫度：熱壓鍵合和熱聲鍵合需要精確控制溫度。

壓力：適當(dāng)?shù)膲毫Υ_保金屬線與焊盤的良好接觸。

超聲波能量：超聲波鍵合需優(yōu)化能量和頻率，以實現(xiàn)可靠的連接。

時間：鍵合時間影響連接質(zhì)量和效率。

3、設(shè)備與工具

鍵合機：自動或半自動鍵合機，提供精確的控制和高效的生產(chǎn)。

鍵合頭：包括毛細管（用于球鍵合）和楔形工具（用于楔鍵合）。

檢測設(shè)備：如顯微鏡和拉力測試儀，用于質(zhì)量檢測。

4、工藝控制與優(yōu)化

表面處理：清潔焊盤和引線框架，確保良好的鍵合表面。

線弧控制：優(yōu)化金屬線的弧度和長度，避免短路或應(yīng)力集中。

質(zhì)量控制：通過拉力測試、剪切測試和視覺檢查確保鍵合質(zhì)量。

工藝優(yōu)化：根據(jù)產(chǎn)品需求調(diào)整參數(shù)，提高良率和可靠性。

五、Bonding（鍵合）用 Wire（引線）

Au WIRE 的主要特性

1、具有良好的導(dǎo)電性，僅次于銀、銅。電阻率（μΩ?ｃｍ）的比較

Ag（１．６）＜Cu（１．７）＜Au（２．３）＜Al（２．７）；

2、具有較好的抗氧化性 。

3、具有較好的延展性，便于線材的制作。常用Au，Wire直徑為23μｍ，25 μｍ，30 μｍ；

4、具有對熱壓縮 Bonding最適合的硬度；

5、具有耐樹脂 Mold的應(yīng)力的機械強度；

6、成球性好（經(jīng)電火花放電能形成大小一致的金球） ；

7、高純度（4N：99.99%）；

六、Bonding（鍵合）用 Capillary（引線咀）

Capillary的選用Hole徑（Ｈ），Hole徑是由規(guī)定的Wire徑ＷＤ（Wire Diameter)來決定H=1.2~1.5WD；

1、Capillary主要的尺寸

H： Hole Diameter (Hole徑)

T：Tip Diameter

B：Chamfer Diameter(orCD)

IC：Inside Chamfer

IC ANGLE：Inside Chamfer Angle

FA：Face Angle (Face角)

OR：Outside Radius

a 15(15XX)：直徑1/16 inch （約1.6mm)，標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁陶瓷

b XX51：capillary產(chǎn)品系列號

c 18：Hole Size 直徑為0.0018 in.（約46μm ）

d 437：capillary 總長0.437 in.(約11.1mm）

e GM：capillary tip無拋光; (P：capillary tip有拋光）

f 50：capillary tip 直徑T值為0.0050 in. （約127μm）

g 4： IC為0.0004 in. （約10μm）

h 8D：端面角度face angle為 8°

i 10：外端半徑OR為0.0010 in.（約25μm）

j 20D：錐度角為20°

k CZ1：材質(zhì)分類，分CZ1,CZ3,CZ8三種系列

2、Capillary尺寸對焊線質(zhì)量的影響

（1）、Chamfer徑（ＣＤ）

Chamfer徑過于大的話、Bonding強度越弱，易造成虛焊；

（2）、Chamfer角（ICA ）

Chamfer角：小→Ball Size：小

Chamfer角：大→Ball Size：大

將Chamfer角由90°變更為120°可使Ball形狀變大，隨之Ball的寬度變寬、與Pad接合面積也能變寬。

（3）、OR（Outer Radius）及FA（Face Angle）

對Hill Crack、Capillary的OR（Outer Radius）及FA（Face Angle）的數(shù)值是重要影響因素。

FA（Face Angle）0°→8°變更

FA 0°→8°的變更并未能增加Wire Pull的測試強度，但如下圖所示，能夠增加2nd Neck部的穩(wěn)定性。

（4）、焊接時間順序圖

次序	動作
1	焊頭下降至第一焊點之搜索高度
2	第一焊點之搜索
3	第一焊點的接觸階段
4	第一焊點的焊接階段
5	返回高度
6	返回距離
7	估計線長高度
8	搜索延遲
9	焊頭下降至第二焊點之搜索高度
10	第二焊點之搜索
11	第二焊點的接觸階段
12	第二焊點的焊接階段
13	線尾長度
14	焊頭回到原始位置

3、焊頭動作步驟

（1）、焊頭在打火高度( 復(fù)位位置 )

（2）、焊頭由打火高度下降到第一焊點搜索高度

（3）、第一焊點接觸階段

（4）、第一焊點焊接階段

（5）、完成第一點壓焊后, 焊頭上升到反向高度

（6）、反向距離

（7）、焊頭上升到線弧高度位置

（8）、搜索延遲

（9）、XYZ 移向第二壓點搜索高度

（10）、第二焊點接觸階段

（11）、第二壓點焊接階段

（12）、焊頭在尾絲高度

（13）、拉斷尾絲

（14）、金球形成，開始下一個壓焊過程

4、BSOB&BBOS

BSOB : BOND STICH ON BALL

BBOS : BOND BALL ON STICH

（1）、BSOB的應(yīng)用

（2）、BSOB 時BOND HEAD的動作步驟

（3）、BSOB的兩個重要參數(shù)

Ball Offset：設(shè)定范圍: -80?20, 一般設(shè)定: -60

此項設(shè)定植球時，當(dāng)loop base 拉起后，capillary 要向何方向拉弧

設(shè)定值為正值 : 代表capillary 向lead 的方向拉弧

設(shè)定值為負值 : 代表capillary 向die 的方向拉弧

2 nd Bond Pt Offset

此項是設(shè)定2銲點魚尾在BALL上的偏移距離，

其單位是 x y Motor Step = 0.2 um ，一般設(shè)定：60

此參數(shù)主要目的以確保2銲點魚尾與植球有最大的黏著面積

Wire Offset 0

Wire Offset 45

Wire Offset 55

Wire Offset 65

BSOB BALL

最佳BSOB效果

FAB過大，BASE參數(shù)過小

BASE參數(shù)過大

正常

BALL過大，STICH BASE參數(shù)過小

BALL過小，STICH BASE參數(shù)過大

正常

BSOB 2nd stich不良

七、Wire bonding（引線鍵合）loop

1、Q-Loop

2、Square Loop

3、Penta loop

4、‘M’ – loop

Q-LOOP輪廓及參數(shù)說明：

Reverse Distance Angle 功能在定義Reverse Distance 方位

注意:假如反向拉弧的角度超過20度，可能會產(chǎn)生neck crack

好

不好

好

不好

八、Wire bond（引線鍵合）的不良分析

在半導(dǎo)體引線鍵合（Wire Bonding）工藝中，不良現(xiàn)象可能導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降或失效。它的不良現(xiàn)象可能由多種因素引起，包括材料、工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等。通過分析不良現(xiàn)象的根本原因，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，可以提高鍵合質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性。建議結(jié)合具體生產(chǎn)情況進行深入分析和驗證。

總結(jié)一下

引線鍵合工藝作為集成電路封裝技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，在電子產(chǎn)品的性能和可靠性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。未來，引線鍵合工藝將繼續(xù)在多元化、高性能、低成本和環(huán)?？沙掷m(xù)性等方面取得突破，以滿足不斷變化的市場需求和技術(shù)挑戰(zhàn)。今天，我們主要講了引線鍵合法與材質(zhì)之間的相互作用，以及引線鍵合的具體方法。在本文中，對可靠性和引線鍵合中可能出現(xiàn)的問題只是進行了簡短的介紹，但要銘記，在引線鍵合過程中，發(fā)現(xiàn)問題，并找出克服問題的解決方案，理解相互之間的權(quán)衡關(guān)系是非常重要的。我還建議讀者可以了解一下，封裝種類及技術(shù)的進步，給鍵合方法帶來了什么樣的變化。

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審核編輯 黃宇