铜丝引线键合技术的发展

铜丝引线键合技术的发展

摘要铜丝引线键合有望取代金丝引线键合，在集成电路封装中获得大规模应用。论文从键合工艺﹑接头强度评估﹑键合机理以及最新的研究手段等方面简述了近年来铜丝引线键合技术的发展情况，讨论了现有研究的成果和不足，指出了未来铜丝引线键合技术的研究发展方向，对铜丝在集成电路封装中的大规模应用以及半导体集成电路工业在国内高水平和快速发展具有重要的意义。

关键词集成电路封装铜丝引线键合工艺

1.铜丝引线键合的研究意义

目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。引线键合（wire bonding）又称线焊，即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热﹑加压﹑超声等能量借助键合工具（劈刀）实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合﹑超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合（wedge bonding）和球形键合(ball bonding)。目前金丝球形热超声键合是最普遍采用的引线键合技术，其键合过程如图1所示。

由于金丝价格昂贵﹑成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金。由于铜丝价格便宜，成本低，具有较高的导电导热性，并且金属间化合物生长速率低于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。

但是，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装，与金丝近半个世纪的应用实践相比还很不成熟，缺乏基础研究﹑工艺理论和实践经验。近年来许多学者对这些问题进行了多项研究工作。论文将对铜丝引线键合的研究内容和成果作简要的介绍，并从工艺设计和接头性能评估两方面探讨铜丝引线键合的研究内容和发展方向。

图1 金丝球形热超声键和过程

2.铜丝引线键合的研究现状

2.1工艺研究

2.1.1防止铜丝氧化

与金丝不同的是，铜丝在空气中极易氧化在表面形成一层氧化膜，而氧化膜对铜球的成形与质量有害，并且还有可能导致接头强度低，甚至虚焊（Non-Stick），因此必须采取措施防止铜丝氧化。Kaimori等尝试通过在铜丝表面镀一层抗氧化的金属来防止铜丝氧化，他们尝试了Au﹑Ag﹑Pd﹑Ni，发现镀的铜丝能形成较好的铜球，并且形成的接头力学性能也强于单纯的铜丝。但是此方法并未见任何工业应用的报道。目前工业应用中主要是采用保护气体来防止铜丝氧化，主要有如图2所示的两种保护装置。至于保护气体，Tan等﹑Hang等以及Singh等都发现使用95%N2和5%H2混合而成的保护气具有较好的抗氧化效果。

图2 两种常见的铜丝防氧化装置示意图

2.1.2工艺参数

由图1的球形热超声键合过程可以知道，键合质量与引线﹑劈刀﹑压力﹑能量和基板等因素有关。影响键合接头性能的主要工艺参数如图3所示。

图3 影响键和性能的主要工艺参数

研究各种工艺参数对引线键合强度性能的影响，有利于键合工艺的设计和工艺参数的优化。Hang等发现铜线的端部距离火花放电的电极越近，火花放电后形成的铜球成形越好。并且Tan等和Hang等均发现铜球的直径与火花放电的电流和时间之间存在如式（1）的关系：

()()t

FAB（1）D

I

f?

=2

式中FAB（D）为铜球的直径；I为火花放电电流强度；t为火花放电时间。

可以通过调节I和t获得成形好﹑质量高的铜球。Hang等通过一系列试验得到了直径为23μm的铜丝键合得到的球形焊点的抗剪强度随超声功率﹑压力﹑超声频率和温度变化的曲线（图4），为工艺参数的优化提供了一定的基础。

图4 抗剪强度随超声功率﹑压力和超声频率变化的曲线

目前铜丝引线键合应用中，多依赖经验来确定工艺参数，尚未得到比较完善的工艺参数范围。

2.2铜丝引线键合的接头性能评估

引线键合的接头性能主要表现为接头强度以及热疲劳寿命等。Toyozawa等和Khoury等的试验结果均表明，铜丝球形焊点抗拉强度与抗剪强度都强于相同直径的金丝焊点，其中抗剪强度的优势尤为明显。Cu/Al金属间化合物生长速率低于Au/Al，尤其是在高温下（图5），因此在交界层不会形成柯肯德尔空洞（Kirk-endall V oid），使铜丝键合的接头性能优于金丝键合。Hong等研究了铜丝球形焊点退火后的力学性能，发现接头抗剪强度随着退火时间的增加而变大，认为是由于界面金属的扩散而导致。Khoury等做了一系列铜丝接头和金丝接头在相同温度下工作﹑以及经受相同温度范围的热循环等试验，认为铜丝键合的热疲劳寿命至少不低于金丝键合。

图5 Cu/Al金属间化合物生长速率低于Au/Al

目前，对铜丝引线键合的接头性能的研究主要集中在相同条件下铜丝与金丝键合接头性能的对比试验研究方面，缺乏详尽的显微组织分析和力学性能测试。

2.3超声波的机理研究

热超声键合中，超声是主要的外加能量之一。目前人们对超声的作用机理做了一些研究，发现在超声键合中，超声至少起到两方面的作用：超声软化和摩擦。

2.3.1超声软化

金属在超声激励下强度和硬度减小的现象称为超声软化。Langenecker把这种现象归因于超声的能力，认为位错优先吸收声能，使位错从钉扎位置开动，暂时使金属软化，增加塑性能力，允许金属在相对较低的压力下变形。目前人们对超声软化的机理尚无定论，而且热超声键合中超声波对金属力学行为影响的定量分析尚未见报道。

2.3.2摩擦

Mayer通过显微传感器研究金丝热超声键合时发现金球与基板接触面之间的摩擦是形成键合的重要条件，并且认为没有摩擦就没有键合。Lum等在研究金丝键合在铜基板上所留下的痕迹时，发现许多痕迹呈明显的环状（图6），正好可以用Mindlin的弹性接触理论来解释。在相同的压力下，随着超声功率的增大，圆环的内径减小，直至由微摩擦（microslip）变为相对滑动（gross sliding）（图7）。根据以上研究，合理的设计压力和超声波功率，能够得到良好的键合点。至于铜丝键合中超声的摩擦作用如何，是否与金丝相似，目前尚未有报道。

图6 环状键和痕迹

图7 超声功率增加，键合痕迹由微摩擦变为相对滑动的示意图

2.4实时监测与有限元分析

2.4.1实时监测

实时监测键合过程中的温度﹑应力应变等参数的变化，根据监测到的数据实时调节输入参数，对引线键合过程的机理研究以及质量控制均十分有利。Schneuwly等提出一种热电偶温度测量技术，他们在键合点处通过改进的劈刀引入Ni线和Au球形成热电偶来在线测量键合过程温度的瞬时变化，试验设置及操作过程都比较复杂，结果离散性较大。Suman等通过在基板中植入一种兼容的铝-硅热电偶传感器实现了实时监测键合过程的温度。Mayer等开发了新型的原位监测方法，通过在连接处植入集成传感器，可实现连接过程中温度和压力信号的实时监测（图8）。

图8 集成传感器

2.4.2有限元分析

目前，随着商业有限元软件的发展，有限元方法越来越多的应用于引线键合的质量评估与分析中。引线键合是一个热力耦合的过程，并且伴随着超声振动和内部扩散，难以模拟。为了简化，现在大多数模型都采用2维轴对称结构，并且把超声简化为热源处理。Zhang等建立了一个3维模型，并且通过改变接触面上的摩擦系数来尝试模拟超声的摩擦作用。Viswanath等也建立了一个3维模型来模拟热超声引线键合在Cu/low-k基板上的情形。到目前为止，在模型中尚未考虑超声软化效果以及内部扩散作用，模型还不够完善。

3.铜丝引线键合存在的问题

铜丝引线键合与金丝相比具有价格便宜﹑成本低﹑导电导热性高和接头强度高等一系列优点，然而铜丝键合也存在一些金丝键合所不易出现的缺陷，主要有基板裂纹（Underpad Crack）﹑硅坑（Silicon Cratering，图9）﹑接头强度低（Weak Bond）和虚焊（Non-Stick）等。一般认为由于铜丝硬度高于金丝，这意味着铜丝键合时需要更高的超声功率和更大的压力，这样比较容易对硅基板造成损害，从而导致基板裂纹和硅坑缺陷的产生，而如果超声功率和压力设置偏小，又会导致接头强度低甚至导致虚焊。另外，由于同种金属焊接无金相的差异，铜丝可以直接键合在封装外壳的铜基上，因此封装外壳的铜基上不必像金丝键合那

样镀银，这样导致铜基表面氧化，即使采用保护气体也不能完全防止，所以第二焊点往往强度较低，甚至虚焊。

图9 硅坑缺陷

为了防止缺陷的产生，人们采取了各种措施。Mori向纯的6N Cu中加入一种不影响铜丝硬度的成分，制成一种新的铜丝。试验表明这种新铜丝能够解决一些问题，如硅基板的损坏问题，但并未说明所加入是何种成分。Kaimori等在铜丝表面镀Pd来防止铜丝氧化，并且获得质量较好的第二焊点。Toyozawa等提出了一种压力两级加载技术（图10），试验表明运用此技术在一定条件下能够解决基板裂纹和硅坑问题。目前工业应用中，主要运用这种加载技术。但是基板缺陷仍然存在，人们尚未能够解决，这些缺陷严重影响了铜丝键合的大规模应用。

图10 压力加载

结论与展望

铜丝由于成本低﹑导电导热性好﹑接头强度高等优点在集成电路封装工业中得到越来越多的应用，铜丝引线键合技术的研究发展迅速。在防止铜丝氧化，工艺优化以及接头性能的评估等方面取得很多成果。但同时也暴露出键合机理不

明﹑缺乏详尽的显微组织分析和力学性能测试﹑工艺参数窗口不完善等问题，尤其是基板裂纹和硅坑等重大缺陷尚未解决，严重地影响了铜丝键合的大规模应用。随着大规模集成电路的发展和对铜丝引线键合技术的不断关注和投入，影响铜丝键合的缺陷定能得到很好的解决，铜丝引线键合技术必将日臻完善，铜丝在集成电路封装中的大规模应用的时代必将来临。

铜丝键合工艺在微电子封装中的应用

铜丝键合工艺在微电子封装中的应用 赵钰 1引言 当今半导体行业的一些显著变化直接影响到IC互连技术，其中有3大因素推动着互连技术的发展。第一是成本，也是主要因素，目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，封装成本超过0.20美元。而采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本，而且其互连强度比金丝还要好。它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。第二是晶片线条的尺寸在不断缩小，器件的密度增大、功能增强。这就需要焊区焊点极小的细间距、高引出端数的封装来满足上述要求。第三是器件的工作速度，出现了晶片铝金属化向铜金属化的转变。因为晶片的铜金属化可以使电路密度更高、线条更细。对于高速器件的新型封装设计来说，在封装市场上选择短铜丝键合并且间距小于50μm的铜焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手。表1列出铜作为键合材料用于IC封装中的发展趋势。 表1材料组合 细引线晶片上的焊区金属化应用时间 铜（Cu）Al 1989年 金(Au) Cu＋溅射铝(Al)的焊区 2000年 Au Cu＋镀镍/金(Ni/Au)焊区2000年 Au Cu＋OP2(抗氧化工艺) 2001年 Cu Cu 2002年～将来 2铜丝键合工艺的发展 早在10年前，铜丝球焊工艺就作为一种降低成本的方法应用于晶片上的铝焊区金属化。当时，行业的标准封装形式为18个～40个引线的塑料双列直插式封装，其焊区间距为150μm～200μm，焊球尺寸为100μm～125μm，丝焊的长度很难超过3mm。与现在的金丝用量相比，在当时的封装中金丝用得很少。所以，实际上金的价格并不是主要问题。此外，在大批量、高可靠的产品中，金丝球焊工艺要比铜丝球焊工艺更稳定更可靠。然而，随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，当今对封装尺寸和型式都有更高、更新的要求。首先是要求键合丝更细，封装密度更高而成本更低。一般在细间距的高级封装中，引出端达500个，金丝键合长度大于5mm，其封装成本在0.2美元以上。与以前相比，丝焊的价格成为封装中的重要问题。表2列出铜和金的封装成本比较。由此，专家们又看中了铜丝，在经过新工艺如新型EFO(电子灭火)、OP2(抗氧化工艺)及MRP(降低模量工艺)（这些工艺在下文中将作详细说明）的改进后，使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。尤其是在大批量的高引出数、细间距、小焊区的IC封装工艺中，成为替代 金丝的最佳键合材料。 表2长5mm、直径为1μm的金丝和铜丝封装成本比较

铜线键合注意

铜丝键合工艺及操作注意事项 对键合铜丝产生弹坑问题的相关原理的解释 键合铜丝作为微电子工业的新型材料,已经成功替代键合金丝应用于半导体器件后道封装中。随着单晶铜材料特性的提升和封装键合工艺技术及设备的改进,铜丝在硬度，延展性等指标方面已逐渐适应了半导体的封装要求。其应用已从低端产品向中高端多层线、小间距焊盘产品领域扩展。因而，在今后的微电子封装发展中，铜丝焊将会成为主流技术。采用铜丝键合工艺不但能降低半导体器件制造成本，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。目前，铜丝键合工艺中有两个方面应予以高度重视：一是铜丝储存及使用条件对环境要求高，特别使用过程保护措施不当易氧化；二是铜丝材料特性选择、夹具选择、设备键合参数设置不当在生产制造中易造成芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑、焊接不良等现象发生，最终将导致产品电性能及可靠性问题而失效。因此，铜丝键合应注意以下工艺操作事项及要求，以确保铜丝键合的稳定及可靠性。 1、铜焊线的包装和存放：铜具有较强的亲氧性，在空气中铜丝容易氧化，所以铜丝必须存放于密封的包装盒中以减少环境空气中带来的氧化现象。于是要求各卷铜焊线必须采用吸塑包装，并在塑料袋内单独密封。贮藏时间一般为在室温（20～25℃）下4～6个月。铜丝一旦打开包装放于焊线机上，铜丝暴露于空气中即可产生氧化。原则上要求拆封的铜丝在48小时（包括焊线机上的时间）内用完为好，最长不超过72小时。 2、惰性保护气体：对于铜丝球焊来说，在成球的瞬间,放电温度极高,由于剧烈膨胀,气氛瞬时呈真空状态,但这种气氛很快和周围的大气相混合，常造成焊球变型或氧化。氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬，而且不易焊接。目前，铜丝键合新型EFO工艺增加了一套铜丝专用装置（K&S公司配置相对封闭的防氧化保护装置），是在成球及楔线过程中增加惰性气体保护功能，以确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离，以防止焊球氧化。通常保护气体有两种防氧化方式：一种是采用纯度为5个“9”以上的100%氮气作为保护气体；另一种是采用90～95%氮气和5～10%氢气的保

金线和铜线的差别

铜线和金线的优缺点 1 引言丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品[2－6]。 铜丝球焊具有很多优势：（1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3－1/10。（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（μΩ/cm）－1，比金的电导率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合；（4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能[7，8]，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoung－Joon Kim等人[9]认为在同等条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。 1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点：（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定，（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。本文采用热压超声键合的方法，分别实现Au引

铜丝引线键合技术的发展

铜丝引线键合技术的发展 摘要铜丝引线键合有望取代金丝引线键合，在集成电路封装中获得大规模应用。论文从键合工艺﹑接头强度评估﹑键合机理以及最新的研究手段等方面简述了近年来铜丝引线键合技术的发展情况，讨论了现有研究的成果和不足，指出了未来铜丝引线键合技术的研究发展方向，对铜丝在集成电路封装中的大规模应用以及半导体集成电路工业在国内高水平和快速发展具有重要的意义。 关键词集成电路封装铜丝引线键合工艺 1.铜丝引线键合的研究意义 目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。引线键合（wire bonding）又称线焊，即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热﹑加压﹑超声等能量借助键合工具（劈刀）实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合﹑超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合（wedge bonding）和球形键合(ball bonding)。目前金丝球形热超声键合是最普遍采用的引线键合技术，其键合过程如图1所示。 由于金丝价格昂贵﹑成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金。由于铜丝价格便宜，成本低，具有较高的导电导热性，并且金属间化合物生长速率低于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。 但是，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装，与金丝近半个世纪的应用实践相比还很不成熟，缺乏基础研究﹑工艺理论和实践经验。近年来许多学者对这些问题进行了多项研究工作。论文将对铜丝引线键合的研究内容和成果作简要的介绍，并从工艺设计和接头性能评估两方面探讨铜丝引线键合的研究内容和发展方向。

引线键合工艺

MEMS器件引线键合工艺（wire bonding） 2007-2-1 11:58:29 以下介绍的引线键合工艺是指内引线键合工艺。MEMS芯片的引线键合的主要技术仍然采用IC芯片的引线键合技术，其主要技术有两种，即热压键合和热超声键合。引线键合基本要求有： （1）首先要对焊盘进行等离子清洗； （2）注意焊盘的大小，选择合适的引线直径； （3）键合时要选好键合点的位置； （4）键合时要注意键合时成球的形状和键合强度； （5）键合时要调整好键合引线的高度和跳线的成线弧度。 常用的引线键合设备有热压键合、超声键合和热超声键合。 （1）热压键合法：热压键合法的机制是低温扩散和塑性流动(Plastic Flow)的结合,使原子发生接触,导致固体扩散键合。键合时承受压力的部位，在一定的时间、温度和压力的周期中，接触的表面就会发生塑性变形(Plastic Deformation)和扩散。塑性变形是破坏任何接触表面所必需的,这样才能使金属的表面之间融合。在键合中,焊丝的变形就是塑性流动。该方法主要用于金丝键合。

（2）超声键合法：焊丝超声键合是塑性流动与摩擦的结合。通过石英晶体或磁力控制，把摩擦的动作传送到一个金属传感器(Metal“HORN”)上。当石英晶体上通电时，金属传感器就会伸延；当断开电压时，传感器就会相应收缩。这些动作通过超声发生器发生，振幅一般在4-5个微米。在传感器的末端装上焊具，当焊具随着传感器伸缩前后振动时，焊丝就在键合点上摩擦，通过由上而下的压力发生塑性变形。大部分塑性变形在键合点承受超声能后发生，压力所致的塑变只是极小的一部分，这是因为超声波在键合点上产生作用时，键合点的硬度就会变弱，使同样的压力产生较大的塑变。该键合方法可用金丝或铝丝键合。 （3）热超声键合法这是同时利用高温和超声能进行键合的方法，用于金丝键合。三种各种引线键合工艺优缺点比较： 1、引线键合工艺过程 引线键合的工艺过程包括：焊盘和外壳清洁、引线键合机的调整、引线键合、检查。外壳清洁方法现在普遍采用分子清洁方法即等离子清洁或紫外线臭氧清洁。 （1）等离子清洁——该方法采用大功率RF源将气体转变为等离子体，高速气体离子轰击键合区表面，通过与污染物分子结合或使其物理分裂而将污染物溅射除去。所采用的气体一般为O2、Ar、N2、80%Ar+20%O2，或80%O2+20%Ar。另外O2/N2等离子也有应用，它是有效去除环氧树脂的除气材料。 （2）外线臭氧清洁通过发射184.9ｍｍ和253.7ｍｍ波长的辐射线进行清洁。过程如下： 184.9 nｍ波长的紫外线能打破O2分子链使之成原子态(O+O)，原子态氧又与其它氧分子结合形成臭氧O3。在253.7nｍ波长紫外线作用下臭氧可以再次分解为原子氧和分子氧。水分子可以被打破形成自由的OH-根。所有这些均可以与碳氢化合物反应以生成CO2+H2O，并最终以气体形式离开键合表面。253.7nｍ波长紫外线还能够打破碳氢化合物的分子键以加速氧化过程。尽管上述两种方法可以去除焊盘表面的有机物污染，但其有效性强烈取决于特定的污染物。例如，氧等离子清洁不能提高Au厚膜的可焊性，其最好的清洁方法是O2+Ar 等离子或溶液清洗方法。另外某些污染物，如Cl离子和F离子不能用上述方法去除，因为可形成化学束缚。

LED 铜线和金线的优缺点

这里有一份铜线和金线的详细试验结果与分析 1引言 丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC 芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。 丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品[2－6]。 铜丝球焊具有很多优势： （1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3－1/10。 （2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（μΩ/cm）－1，比金的电导率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；

（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合； （4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能[7，8]，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoung－JoonKim等人[9]认为在同等条件下，Cu/Al 界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。 1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点： （1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定， （2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。 本文采用热压超声键合的方法，分别实现Au引线和Cu引线键合到Al-1％Si-0.5％Cu金属化焊盘，对比考察两种焊点在200℃老化过程中的界面组织演变情况，焊点力学性能变化规律，焊点剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和力学性能的相关关系。

铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用

铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用 一、简介 目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术,引线键合,又称线焊。即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入，输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热、加压、超声等能量，借助键合工具“劈刀”实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合、超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合和球形键合。 引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝，由于金丝价格昂贵、成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金，由于铜丝价格便宜、成本低、具有较高的导电导热性，并且Cu/Al金属间化合物生长速于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。 二、铜丝键合的工艺 当今，全球的IC制造商普遍采用3种金属互连工艺，即：铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺，金丝与晶片铜金属化层的键合工艺以及铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺。近年来第一种工艺用得最为广泛，后两者则是今后的发展方向。 1. 铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺 近年来，人们对铜丝焊、劈刀材料及新型的合金焊丝进行了一些新的工艺研究，克服了铜易氧化及难以焊接的缺陷。采用铜丝键合不但使封装成本下降，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。特别是采用以下’3种新工艺，更能确保铜丝键合的稳定性。 （1）充惰性气体的EFO工艺：常规用于金丝球焊工艺中的EFO是在形成焊球过程中的一种电火花放电。但对于铜丝球焊来说，在成球的瞬间，放电温度极高，由于剧烈膨胀，气氛瞬时呈真空状态，但这种气氛很快和周围的大气相混合，常造成焊球变形或氧化。氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬，而且不易焊接。新型EFO工艺是在成球过程中增加惰性气体保护功能，即在一个专利悬空管内充入氮气，确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离，以防止焊球氧化，焊球质量极好，焊接工艺比较完善。这种新工艺不需要降低周围气体的含氧量，用通用的氮气即可，因此降低了成本。

引线键合中引线运动学构型数据获取实验

引线键合中引线运动学构型数据获取实验 一 序言： 1. 引线键合：引线键合技术是微电子封装中的一项重要技术之一。由于上世纪90年代，器件封装尺寸的小型化，使得新型封装开始通过引线键合，载带自动键合，合金自动键合等键合技术来实现高密度高可靠性的封装。 1.1微电子封装的流程中引线键合的位置

2.引线键合的过程是晶片上的焊垫(pad)作为第一焊点（the first bond）基板的内引脚（inter lead）作为第二焊点（the second bond）在外部能量（超声或者热能）作用下，通过引线（金线、铜线、铝线）把第一焊点第二焊点连接起来。 1.2 自动焊线机批量焊接 1.3 引线键合 引线键合技术是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接中最通用最简单有效的一种方式，又因为引线键合生产成本低、精度高、互连焊点可靠性高，且产量大的优点使其占键合工艺的80%以上，在IC 制造业得到了广泛的应用，一直是国际上关注的热点。对于引线键合中引线成型的引线及键合头的研究也备受关注。 以较为普遍的超声金丝键合为例介绍介绍引线成型的过程。一个完整的引线键合过程包括两种不同的运动状态。一种是自由运动，该阶段的任务是拉出键合弧线，键合头运动按照已经设定好的运动轨迹。此状态执行工具尖端与芯片失去接触，不产生力的反馈信号。另一种约束运动，当执行工具尖端与芯片接触时，在超声和高温的作用下，稳定的键合力保证了金线被充分的焊接在芯片和引脚上，力传感器产生力反馈信号，这个阶段的任务是实现结合力的整定控制。

?1.线夹关闭，电子 打火形成金球， 引线夹将金线上 提金属熔球在劈 刀顶端的圆锥孔 内定位 ?2.线夹打开键合头 等速下降到第一 键合点搜索高度 （1st bond search height)位置 ?3.劈刀在金属熔 球（最高180℃） 上施加一定的键 合力同时超声波 发生系统（USG) 作用振动幅度经 变幅杆放大后 作用在劈刀顶端 完成第一键合点 ?6.劈刀下降接 触引线框架焊 盘调用第二键 合点参数在热 量和超声键合 的能量下完成 锲键合 ?5.键合头运动 到第二键合点 位置，形成弧 线 ?4.键合头上升 运动到“top of loop”位置然 后进行短线检 测，判断第一 焊点是否成功

引线键合技术进展

引线键合技术进展 晁宇晴1,2,杨兆建1,乔海灵2 (1.太原理工大学,山西　太原　030024;2.中国电子科技集团公司第二研究所,山西　太原　030024) 摘　要:引线键合以工艺简单、成本低廉、适合多种封装形式而在连接方式中占主导地位。对引线键合工艺、材料、设备和超声引线键合机理的研究进展进行了论述与分析,列出了主要的键合工艺参数和优化方法,球键合和楔键合是引线键合的两种基本形式,热压超声波键合工艺因其加热温度低、键合强度高、有利于器件可靠性等优势而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流,提出了该技术的发展趋势,劈刀设计、键合材料和键合设备的有效集成是获得引线键合完整解决方案的关键。 关键词:引线键合;球键合;楔键合;超声键合;集成电路 中图分类号:T N305 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2007)04-0205-06 Progress on Technology of W i re Bondi n g CHAO Y u-q i n g1,2,YANG Zhao-ji a n1,Q I AO Ha i-li n g2 (1.Ta i yuan Un i versity of Technology,Ta i yuan　030024,Ch i n a 2.CETC No.2Research I n stitute,Ta i yuan　030024,Ch i n a) Abstract:W ire bonding holds the leading positi on of connecti on ways because of its si m p le tech2 niques,l ow cost and variety f or different packaging f or m s.D iscuss and analyz the research p r ogress of wire bonding p r ocess,materials,devices and mechanis m of ultras onic wire bonding.The main p r ocess para me2 ters and op ti m izati on methods were listed.Ball bonding and W edge bonding are the t w o funda mental f or m s of wire bonding.U ltras onic/ther mos onic bonding beca me the main trend instead of ultras onic bonding and ther mos onic bonding because of its l ow heating te mperature,high bonding strength and reliability.A de2 vel opment tendency of wire bonding was menti oned.The integrati on of cap illaries design,bonding materi2 als and bonding devices is the key of integrated s oluti on of wire bonding. Key words:W ire bonding;Ball bonding;W edge bonding;U ltras onic wire bonding;I C D ocu m en t Code:A Arti cle I D:1001-3474(2007)04-0205-06 随着集成电路的发展,先进封装技术不断发展变化以适应各种半导体新工艺和新材料的要求和挑战。半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输入/输出畅通的重要作用,是整个后道封装过程中的关键。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位,目前所有封装管脚的90%以上采用引线键合连接[1]。 引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接。引线键合前,先从金属带材上截取引线框架材料(外引线),用热 作者简介:晁宇晴(1975-),女,工程硕士,工程师,主要从事电子专用设备的研制与开发工作。502 第28卷第4期2007年7月 电子工艺技术 Electr onics Pr ocess Technol ogy

新型半导体封装材料--键合铜丝产业化融资投资立项项目可行性研究报告(中撰咨询)

新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化立项投资融资项目 可行性研究报告 (典型案例〃仅供参考) 广州中撰企业投资咨询有限公司

地址：中国〃广州

目录 第一章新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目概论 (1) 一、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目名称及承办单位 .. 1 二、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目可行性研究报告委托编制单位 (1) 三、可行性研究的目的 (1) 四、可行性研究报告编制依据原则和范围 (2) （一）项目可行性报告编制依据 (2) （二）可行性研究报告编制原则 (2) （三）可行性研究报告编制范围 (4) 五、研究的主要过程 (5) 六、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化产品方案及建设规模 .. 6 七、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目总投资估算 (6) 八、工艺技术装备方案的选择 (6) 九、项目实施进度建议 (6) 十、研究结论 (7) 十一、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目主要经济技术指标 (9) 项目主要经济技术指标一览表 (9) 第二章新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化产品说明 (15) 第三章新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目市场分析预测 (15) 第四章项目选址科学性分析 (16) 一、厂址的选择原则 (16) 二、厂址选择方案 (17) 四、选址用地权属性质类别及占地面积 (17)

五、项目用地利用指标 (17) 项目占地及建筑工程投资一览表 (18) 六、项目选址综合评价 (19) 第五章项目建设内容与建设规模 (20) 一、建设内容 (20) （一）土建工程 (20) （二）设备购臵 (20) 二、建设规模 (21) 第六章原辅材料供应及基本生产条件 (21) 一、原辅材料供应条件 (21) （一）主要原辅材料供应 (21) （二）原辅材料来源 (21) 原辅材料及能源供应情况一览表 (22) 二、基本生产条件 (23) 第七章工程技术方案 (24) 一、工艺技术方案的选用原则 (24) 二、工艺技术方案 (25) （一）工艺技术来源及特点 (25) （二）技术保障措施 (25) （三）产品生产工艺流程 (26) 新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化生产工艺流程示意简图 (26) 三、设备的选择 (27) （一）设备配臵原则 (27) （二）设备配臵方案 (28) 主要设备投资明细表 (28) 第八章环境保护 (29) 一、环境保护设计依据 (29)

绝缘引线键合技术的应用

绝缘引线键合技术的应用 作者：()、() ，公司 随着半导体封装持续朝着多引脚、小间距及多列多层叠的方向发展，引线键合技术正面临越来越大的挑战。被称为的绝缘引线键合技术已经在2006年路线图上被提出，作为一种可行的、经济的解决方案实现复杂封装，提高封装性能和高密度封装的成品率。要成功实施绝缘引线键合技术，必须做到将此技术以低成本集成到现有的封装基础设备中。具体来说，就要求绝缘引线键合技术能在现有的引线键合平台上达到现有的标准、规范和性能。 绝缘引线键合的优势 电子连接重要的第一步是芯片级别连接，也被称为第一级连接。这一连接将在很大程度上决定可以从芯片上获得多少性能。性能虽然很关键，但是产品经理也不会因此就忽视其他经济因素。对封装技术而言一个全面的利益/成本分析必须包括以下几个方面，即对成本、性能、尺寸/密度、和上市时间的评估。 芯片到芯片或芯片到基板的第一级连接技术中，有两种方式一直在工业中占主导地位，即引线键合和倒装芯片。其中引线键合，由于其灵活性和经济性，在市场中占90%以上。 但是，在绝缘引线键合出现之前，引线键合的局限性在于连接被限制在芯片的四周，当芯片数量增加时，就需要使用区域阵列技术，使芯片的不再被局限在芯片的四周。引线键合的另外一个问题是长的、平行的引线之间的自感应，这点可以通过使用交叉和紧密排放的绝缘引线得以缓解。 绝缘引线键合有人们熟知的众多优点。从整体利益/成本分析，绝缘引线键合可以提供最优的成本，即能够使用最低成本的引线键合设备；从性能方面分析，绝缘引线键合能够在芯片单位面积上提供更多的连接点，使用低成本的更小的芯片，降低键合点的限制。 另外，绝缘引线键合能够以最高的带宽将芯片直接连接起来，降低了芯片的叠层和基板

键合铜丝

单晶铜丝 各种音频视频信号在传输过程中通过晶界时,都会产生反射、折射等现象使信号变形、失真衰减,而单晶铜极少的晶界或无晶界使传输质量得到根本改善。因此,单晶铜在音视频信号传输方面得到广泛的应用。同样情况，由于芯片输入已高达数千输入引脚的大量增加，使原来的金、铝键合丝的数量及长度也大大增加，致使引线电感、电阻很高，从而也难以适应高频高速性能的要求，在这种情况下，我们同样采取了性价比都优于金丝的单晶铜（ф0.018mm）进行了引线键合，值得可贺的是键合后结果取得了预想不到的成功。作为半导体封装的四大基础材料之一的键合金丝，多年来虽然是芯片与框架之间的内引线，是集成电路封装的专用材料，但是随着微电子工业的蓬勃发展，集成电路电子封装业正快速的向体积小，高性能，高密集，多芯片方向推进，从而对集成电路封装引线材料的要求特细（¢0.016mm），而超细的键合金丝在键合工艺中已不能胜任窄间距、长距离键合技术指标的要求。 特别令我们高兴的是，这种期待与渴望，在“2007年中国半导体封装测试技术与市场研讨会”上，我们公司的单晶铜键合引线新产品被行业协会的专家“发现”，并立即得到大会主席及封装分会理事长毕克允教授的充分肯定和支持。其集成度也达到数千万只晶体管至数亿只晶体管，布线层数由几层发展至10层，布线总长度可高达1.4Km。

作为导体主要材料的铜线,线径要求也越来越细,无氧铜杆由于其多晶组织,就不可避免存在缺陷及在晶界处的氧化物等,从而影响其进一步的拉细加工目前单晶铜线最细可拉到直径0.016mm，基本满足最高要求。为促进技术成果尽快向产业化转移，促进生产力的发展，为此，我们一直期待着能早日为集成电路封装业高尖端技术的应用做出应有的贡献。随着电子工业的迅猛发展,各种电子元件都趋向于微型化、轻量化。 集成电路时信息产品的发展基础，信息产品是集成电路的应用和发展的动力。特别是低弧度超细金丝，大部份主要依赖于进口，占总进口量的45%以上。从此我们将在分会的领导下，将这一新兴的单晶铜键合丝新产品尽早做强做大，走在全国的前列并瞄准国际市场，以满足即将到来的单晶铜键合引线的大量需求。 近几年来，根据国内外集成电路封装业大踏步的快速发展，我公司紧跟这一发展趋势，在全国率先研发生产出单晶铜键合丝，其直径规格最小为ф0.016mm，可达到或超过传统键合金丝引线ф0.025mm 和缉拿和硅铝丝ф0.040mm质量水平。

引线键合

引线键合(wire bonding，WB) 引线键合的定义：用金属丝将芯片的I/O端（内侧引线端子）与相对应的封装引脚或者基板上布线焊区（外侧引线端子）互连，实现固相焊接过程，采用加热、加压和超声能，破坏表面氧化层和污染，产生塑性变形，界面亲密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点，键合区的焊盘金属一般为Al或者Au等，金属细丝是直径通常为20~50微米的Au、Al或者Si—Al丝。 历史和特点 1957 年Bell实验室采用的器件封装技术，目前特点如下： ? 已有适合批量生产的自动化机器； ? 键合参数可精密控制，导线机械性能重复性高； ? 速度可达100ms互连（两个焊接和一个导线循环过程）； ? 焊点直径：100 μｍ↘50μｍ，↘30 μｍ； ? 节距：100 μm ↘55 μm，↘35 μm ； ? 劈刀(Wedge,楔头)的改进解决了大多数的可靠性问题； ? 根据特定的要求，出现了各种工具和材料可供选择； ?已经形成非常成熟的体系。 应用范围 低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法，用于下列封装（适用于几乎所有的半导体集成电路元件，操作方便，封装密度高，但引线长，测试性差） 1.陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片 2.陶瓷和塑料(CerQuads and PQFPs) 3.芯片尺寸封装(CSPs) 4.板上芯片(COB) 两种键合焊盘 1.球形键合 球形键合第一键合点第二键合点2.楔形键合

楔形键合第一键合点第二键合点 三种键合（焊接、接合）方法 引线键合为IC晶片与封装结构之间的电路连线中最常使用的方法。主要的引线键合技术有超音波接合（Ultrasonic Bonding, U/S Bonding）、热压接合(Thermocompression Bonding,T/C Bonding)、与热超音波接合(Thermosonic Bonding, T/S Bonding)等三种。 机理及特点 1.超声焊接：超音波接合以接合楔头(Wedge)引导金属线使其压紧于金属焊盘上，再由楔头输入频率20至60KHZ，振幅20至200μm，平行于接垫平面之超音波脉冲，使楔头发生水平弹性振动，同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，引线受能量作用发生塑性变形，在25ms内与键合区紧密接触而完成焊接。常用于Al丝的键合。键合点两端都是楔形。铝合金线为超音波最常见的线材；金线亦可用于超音波接合，它的应用可以在微波元件的封装中见到。 特点：1.适合细丝、粗丝以及金属扁带。 2.不需外部加热，对器件无热影响 3.可以实现在玻璃、陶瓷上的连接 4.适用于微小区域的连接 步骤： 2.热压焊：金属线过预热至约300至400℃的氧化铝(Al 2 O 3 )或碳化钨（WC）等耐火材料所制成的毛细管状键合头（Bonding Tool/Capillary,也称为瓷嘴或焊针），再以电火花或氢焰将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力效应使

铜线键合的优势与局限

铜线键合的优势与局限 发布时间：2009-07-12 铜线的优势 随着金价的持续上涨（目前每盎司已超过800美元），金线的价格也不断高升。虽然采用金线和铜线的制造成本基本是一样的，但是金线的材料成本却要高得多。根据市场的行情，1mil 铜线能够节省成本高达75%，2mil 的铜线高达90%。在功率封装中，要求使用大直径导线来达到电力负荷，这样铜线就可以为半导体封装公司节约相当可观的成本费用。即使对于具有多达1000根（每根长达6 米）的某些精确节距封装，采用铜线也可以明显降低成本。例如，一个精确节距QFP 或BGA 封装可能需要5 米多长的导线，而采用铜线来代替金线就可以降低大量的成本。 除了较低的成本外，铜线优良的机械和电学特性使它可以用在具有更高引线数和更小焊盘尺寸的各种高端精确节距器件中。由于铜比金和铝的强度高50%，刚度高30%，所以它能提高优良球颈的抗拉强度，并在低长环的塑膜或封装期间能更好的控制环。更高的抗拉强度使在精确节距应用中的一些操用于精确节距工艺的作变得更加容易。 在导线直径相同的情况下，铜的导电性要高出23%，这样在获得同等的导电性时，可采用更细的铜线。所以，更细的铜导线可以取代更粗直径的金线功率器件，铜线的这部分提高的导电性具有明显优势。在精确节距封装中，采用铜就可以使用更细的导线而不会影响电学性能。 在铜线键合中金属间的生长也比在金线键合中的生长慢得多，这样，在IC 寿命周期内，可以增加键合稳定性和器件性能。铜- 铝金属间也会形成化合物，但比形成金- 铝金属间化合物所需的温度高。随着目前器件工作温度变得更高，更慢的金属间化合物生长速率、更高的强度和更优良的电和热传导性这些优势结合起来，就为超精确节距、高可靠性线键合提供了一种效果优异，成本低廉的方法。 克服铜的局限性 虽然铜有着许多优势，但它本身也有两个值得注意的局限点：硬度大和易被腐蚀。由于铜本身的硬度比金大（纯度99.99% 的退火过的铜要比纯度99.99% 的掺杂金的硬度大很多），所以铜更容易损坏微芯片的表面。由于铜线本身比金线不容易变形，所以它对焊盘的应力更大。含有更精确导线、低K 介质和BOAC 的更新型的器件结构要求灵敏的键合条件。 铜很容易腐蚀和发生相互反应。在自由空气小球形成期间的铜氧化反应会导致导线键合球的大小和形状发生变化。大小和形状的改变会产生不规则键合，会使键合力和焊盘形变很难控制。为了消除氧化反应的影响，铜必须被一层封装胶囊保护起来以提供可靠的互连接。

引线键合的失效机理

引线键合的失效机理 小组成员：08521201樊量：什么是引线键合，常用的焊线方法 08023205高乐：键合工艺差错造成的失效 08023207王全：热循环使引线疲劳而失效 08023208高灿：金属间化合物使Au—Al系统失效 08023214徐国旺：内引线断裂和脱键产生的原因及其影响 08023215冯超：内引线断裂和脱键产生的原因及其影响 08023130黄宏耀：键合应力过大造成的失效

目录 1、引线键合---------------------------------------------------3 1.1常用的焊线方法-------------------------------------------3 1.1.1热压键合法--------------------------------------------3 1.1.2超声键合法--------------------------------------------3 1.1.3热超声键合法------------------------------------------3 1.1.4三种各种引线键合工艺优缺点比较------------------------4 1.2引线键合工艺过程-----------------------------------------4 2、键合工艺差错造成的失----------------------------------------6 2.1焊盘出坑------------------------------------------------7 2.2尾丝不一致----------------------------------------------7 2.3键合剥离------------------------------------------------7 2.4引线弯曲疲劳--------------------------------------------7 2.5键合点和焊盘腐蚀----------------------------------------7 2.6引线框架腐蚀--------------------------------------------8 2.7金属迁移------------------------------------------------8 2.8振动疲劳------------------------------------------------8 3、内引线断裂和脱键--------------------------------------------8 4、金属间化合物使Au—Al系统失效-------------------------------9 4.1 Au—Al 系统中互扩散及金属间化合物的形成-----------------9 4.2杂质对Au—Al系统的影响----------------------------------9 4.3改善方法------------------------------------------------10 5、热循环使引线疲劳而失效-------------------------------------10 5.1热循环峰值温度对金相组织的影响--------------------------10 5.2热循环峰值温度对冲击功的影响----------------------------10 5.3引线疲劳------------------------------------------------11 6、键合应力过大造成的失效-------------------------------------11 参考文献-------------------------------------------------------12

集成电路封装中的引线键合技术研究

集成电路封装中的引线键合技术研究 发表时间：2019-08-30T17:12:20.510Z 来源：《基层建设》2019年第16期作者：吴栋华 [导读] 摘要：本文以集成电路封装系统为研究对象，对其中的引线键合技术的工艺内容进行研究分析。 晟碟信息科技（上海）有限公司上海 200241 摘要：本文以集成电路封装系统为研究对象，对其中的引线键合技术的工艺内容进行研究分析。在简要介绍引线键合技术基础的前提下，分析多种类型的键合技术，并重点在键合技术基础条件上，就温度、时间、键合工具、引线材料、键合机理这四方面内容进行细化说明。 关键词：集成电路；封装处理；引线缝合 引言 集成电路封装技术，受到电气设备高速发展的影响，在行业领域与科技条件的带动下，呈现出了高速率的发展条件。为了适应整体行业的发展状态，需要对其中的技术条件进行升级，尤其在键合技术内容中，需在简要介绍基本概念内容的基础上，引出整体技术应用要点，为相关研究提供参阅材料。 一、引线键合技术概述 引线键合技术，将技术细线作为材料与技术基础，通过对热、压力、超声波等能量条件的利用，实现金属引线与基板焊盘之间的紧密焊合状态。此项技术，是芯片技术领域中极为常见的技术手段，是维护电力互联状态、执行信息通信功能的基础性技术条件。在理性的控制状态下，引线与极板之间，会出现电子共享或原子扩散，并在联众金属间，出现原子量级的键合状态。功能属性上，引线键合技术，将核心元件作为工作对象，对其行使导出与引入功能，以此展示自身技术条件在集成电路封装中的技术应用价值。 二、多类型键合技术分析 集成电路的设置，可以分为多道操作工艺，并在磨片、划片、装片、烘箱、键合、塑封等多项技术工序中，完成整体的技术管理。在IC封装技术条件下，芯片与引线之间的连接状态，是电源与信息号连接的基础，在连接方式上，呈现出倒装焊、载带自动焊、引线键合三种技术类型。在应用条件上，引线键合表现出明显的技术优势。而在传统封装条件下，引线键合技术也表现出一定的特异化内容，通常会使用球形焊接的流程工艺形式。 球形焊接技术，首先要设置第一点焊接，并将其位置固定在芯片表面。然后通过线弧的成型处理，引导出第二点焊接，并将其设置在引线框架或者基板的表面。技术原理上，通过离子化的空气间隙，引导出“电子火焰熄灭”现象，并在形成金属球的过程中，产生所谓的自由空气球，表现出技术条件下独有的特征属性。而在键合处理的过程中，这一技术条件，表现出了明显的精度优势，可以分别在不同的方向上作出补偿控制点，以此保证整体焊接处理的合理状态[1]。 整体角度出发，键合技术需遵照基本的工艺条件设置需求，在基础设备、键合时间、键合温度等多方面内容的控制条件下，保证整体键合操作工艺的合理化状态。尤其在键合机台压与功率的控制上，应尊重超声功率的基本应用条件，将焊线与接触面保持在相对较为松软的条件下，在输入能量的同时，保证物质分子态结构之间的嵌合，完成新形状的塑造。 三、键合技术的基础条件说明 （一）温度条件 温度是控制键合操作的重要指标，对整体技术的应用合理性状态，有着直接且绝对的影响。适当的温度条件，是执行引线键合的基础。在键合处理中，温度所产生的能量条件，会消除在键合接触面中产生的氧化物质，可以有效地提高键合处理的技术效果。针对这一问题，技术领域进行了大量的研究实践分析，并确定了统一的键合操作最优温度状态。通常情况下，将200℃-240℃，作为最优化的键合消耗条件，如果键合处理中的环境温度低于这一温度条件，就无法发挥消除氧化层的技术处理效果。反之，如果高于这一温度区间，对键合技术的应用条件，也会造成危害，并在接触面上，增加出现氧化物的概率。因此，需要对键合的温度进行系统化的控制，使其在相应的温度区间中，维护键合技术处理的有效性，提高整体集成封装技术的适应性条件。 （二）时间条件 键合操作，是一个流程化的技术过程中，虽然所用的时间相对较为短暂，但在整体的键合处理中，也会随着键合点位置的变化，表现出明显的差异性条件。通常情况下，键合处理所消耗的实践越长，键合球吸收的能量也就相对越多，这一条件，直接增加了键合接触界面的直径参数。此时，会对键合界面的强度起到明显的强化效果，但是这种条件也会相应的缩减键合的强度。同时，如果键合的时间过长，会大大的增加键合点的范围，增加键合空洞的形成概率。因此，键合处理的技术过程中，需要对实际技术条件进行分析，在确定具体应用环境的同时，合理控制键合时间，以此保证整体键合处理的有效性，为整体集成电路封装处理的优化奠定基础。 （三）键合工具 引线键合处理中，需要使用特定的提供具设备，在执行能量传递工作的过程中，保证操作界面的良性键合效果。通常情况下，键合设备工具，需要针对键合技术的应用形式，分别对超声波、热量、压力等不同类型的能量形态进行传递了，同时还需要将键合所用的引线材料固定的工具上，以此保证技术操作处理的有效性。而不同的键合处理方法与流程，所选用的键合工具也有所差异[2]。例如，在楔形键合技术中，主要通过楔形劈刀设备，完成键合操作，而其材质，主要由碳钛合金或者钨碳材料组成。又如，在球形键合技术中，会将毛细管劈刀设备作为操作工具，而其材质大多为陶瓷材料，明显的区别于楔形键合设备。另外，无论是哪一种键合工具，其应用中的大小型号，都会对整体键合处理的精度与稳定性状态产生影响，需要得到相关技术人员的重视，并在应用作出必要的调整。 （四）引线材料 引线材料是键合技术处理中的基础，常见的引线多为铜、铝、金等技术材料。铜线的应用最为普遍，在经过键合处理之后，通常无需进行二次封装处理。同时，在使用铜线进行键合处理的过程中，可以有效地降低杂物的出现概率，避免劈刀出现堵塞问题，保证良好的运行状态。在键合处理的过程中，需要重点关注铜丝结构的强度属性与延展性状态，并在优化铜丝纯度的同时，使其应用价值得到保证。另外，在实践过程中发现，在铜丝的引线材料中，适当的加入其它元素的金属物质，会使铜丝在键合处理中发生明显的质量变化，并展现出差异化特征。 以金线为材料基础的键合技术，在实际应用中，也有明显的技术优势，并在封装实务操作中，具有一定代表性。技术操作中，用于金