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1、元器件的互连封装技术 引线键合技术,Review,电子封装始于IC晶片制成之后，包括IC晶片的粘结固定、电路连线、密封保护、与电路板之接合、模组组装到产品完成之间的所有过程。,电子封装常见的连接方法有引线键合(wire bonding，WB)、载带自动焊（tape automated bonding, TAB）与倒装芯片(flip chip, FC)等三种，倒装芯片也称为反转式晶片接合或可控制塌陷晶片互连(controlled collapse chip connection ,C4 ) 。,什么是引线键合,用金属丝将芯片的I/O端（inner lead bonding pad: 内侧引线端子
2、） 与对应的封装引脚或者基板上布线焊区（outer lead bonding pad: 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2050微米的Au、Al或者SiAl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 m 50 m， 30 m； 节距：10
3、0 m 55 m， 35 m ； 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： 陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片 陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs) 芯片尺寸封装 (CSPs) 板上芯片 (COB),芯片互连例子,采用引线键合的芯片互连,球形键合,两种键合焊盘,楔形键合,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（Ultraso
4、nic 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,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200m，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
5、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。,楔形键合,其穿丝是通过楔形劈刀背面的一个小孔来实现的，金属丝与晶片键合区平面呈3060的角度，当楔形劈刀下降到焊盘键合区时，楔头将金属丝按在其表面，采用超声或者热声焊而完成键合。,超音波接合只能产生楔形接点(Wedge Bond)。它所能形成的形成的连线弧度(称为Profile)与接点形状均小于其他引线键合方法所能完成者。因此适用于焊盘较小、密度较高的IC晶片的电路连线；但超音波接合的连线必须沿著金属迴绕的方向排列，不能以第一接点为中心改变方向，因此在连线过程中必须不断地调整IC晶片与封装
6、基板的位置以配合导线的迴绕，不仅其因此限制了键合的速度，亦较不利于大面积晶片的电路连线。,热压焊：金属线过预热至约300至400的氧化铝(Al2O3)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线之末端成球状（其直径约金属线直径之2倍），键合头再将金属球下压至已预热至约150至250的第一金属焊盘上进行球形结合（Ball Bond）。在结合时，球点将因受压力而略为变形，此一压力变形之目的在于增加结合面积、减低结合面粗糙度对结合的影响、穿破表面氧化层及其他可能阻碍结合
7、之因素，以形成紧密之结合。,球形键合过程,1、毛细管(capillary)与焊盘(bond pad)对准，把金线末端生成半径为1.52倍金线半径的球状突起和毛细管口贴紧。,2、毛细管降下，球状突起与焊盘接触，综合压力、加热能量等使球状突起变形成为焊点形状。,3、单点键合完成后，毛细管升起，金线从毛细管中抽出，随毛细管移动到第二个焊盘上方。,4、当毛细管移到位后，用与焊第一点类似的技术，在衬底上形成楔形压痕。,5、毛细管上升，离开衬底。到某一预定高度，金线被夹紧，毛细管继续上升。金线在最细处被拉断。,6、新的球状突起在金线末端形成。一般使用电火花技术。键合过程结束。准备下一键合过程。,球形结合完
8、成后，结合工具升起并引导金属线至第二个金属焊盘上进行楔形结合，由于结合工具顶端为一圆锥形，所得之第二接点通常呈新月状（Crescent Bond）热压结合属于高温结合过程，金线因具有高导电性与良好的抗氧化特性而成为最常被使用的导线材料；铝线也可被用于热压结合，但因铝线不易在线之末端成球，故一般仍以楔形接点的形态完成连线结合。,热声焊：为热压结合与超音波结合的混合方法。热超音波结合也先在金属线末端成球，再使用超声波脉冲进行导线材与金属接点间之结合。热超音波结合的过程中结合工具不被加热而仅仅是结合之基板维持在100至150的温度，此一方法除了能抑制结合界面介金属化合物(Intermetallic
9、Compounds)之成长之外，并可降低基板的高分子材料因温度过高而产生劣化变形的机会，因此热超音波结合通常应用于结合困难度较高的封装连线。金线为热超音波结合最常被使用的材料。,键合接头形貌,比较,比较,比较,键合设备,键合速度不断提高、间距不断减小，操作稳定性提高。 楔形和球形键合速度分别可达4 wires/sec 和10 wires/second 很多分析设备用于优化键合劈刀的性能， 精密图象处理系统使其能够进行精确定位 已经出现了全自动化的设备。 在20分钟内就可以完成少量的工具和软件的调整以适应不同的产品。,楔形键合楔形, 手工键合机,楔形劈刀和毛细管劈刀,劈刀常常是通过氧化铝或者碳化
10、钨进行粉末烧结而成。对于一些单一用途的工具，也可以用玻璃、红宝石和碳化钛来代替。,用于球形键合的毛细管劈刀,用于Al丝键合的楔形劈刀,毛细管劈刀描述,主要任务: 具备一个内斜面以形成第一个键合点 ， 一个合理设计而又光滑的孔适合弧度的形成 ，具有一个尖的外圆面以便于第二键合点的截断。,劈刀特点- I.C.(内斜面),非常重要的参数 影响自由空气聚集和第一键合点的压制半径。 同时也影响弧度的形成，以保证光滑的丝线传送。 在应用时候要考虑一下特点,内斜面角度,90 degree 和底面角度为0或者4度时配合可以优化第二键合点的截断， 适合于非常小底第一键合点要求。,120 degree 提高对第一
11、键合点的黏附作用解决弯曲翘起， 和底面角8度配合可以优化键合点形状。,内斜面形状,低拖动面 （L.D.）适合 较长的弧度轨迹 较低而精确的弧度轨迹,双内斜面 最标准最常用的劈刀斜面,F.A.(底面角),底面角度影响: 第二键合点的形状和强度 第二键合点的截断,0 degree 配合 90度的内斜面角度具有很好的导线截断能力，一般不用于柔软的材料如陶瓷或者电路板上的薄膜。 不宜采用大的键合头。,底面角,4 degree 专门设计用于解决8度或者0度的问题， 建议使用小的键合头,8 degree 一般用途，很好的第二键合点丝线截断能力 15 degree 仅仅用于热压焊，使用较少,键合头直径 （T
12、）,主要影响第二键合点的强度， 在允许的范围内应该尽可能大， 小键合头适合于较密（细间距）键合， 小键合头适合于手工操作。,键合头镀层,光滑涂层 较长的使用寿命 ， 要进行抛光 ， 使得第二键合点光亮， 减少金属的残留和聚集,粗糙的涂层 仅仅内斜面抛光， 第二键合点强度高， 第一键合点光亮 提高超声能作用,锥体角度 (C.A.),主要影响到达键合位置的能力，尤其是细间距情况下以及到达第二点的距离。,30/20 degree C.A. 平颈,劈刀长度,标准长度为0.375和0.437 ， 后者允许更深的接触， 较小的长度公差可保证较好的超声反应。,键合材料,引线 金丝,广泛用于热压和热声焊， 丝
13、线表面要光滑和清洁以保证强度和防止丝线堵塞， 纯金具有很好的抗拉强度和延展率， 高纯金太软，一般加入约 5-10 ppm 重量的 Be或者30-100 ppm的 Cu， 掺Be的引线强度一般要比掺Cu的高10-20% 。,铝 丝,纯铝太软而难拉成丝，一般加入 1% Si 或者1% Mg以提高强度。 室温下1% 的Si 超过了在铝中的溶解度，导致Si的偏析，偏析的尺寸和数量取决于冷却数度，冷却太慢导致更多的Si颗粒结集。Si颗粒尺寸影响丝线的塑性，第二相是疲劳开裂的萌生潜在位置。 掺1%镁的铝丝强度和掺1% 硅的强度相当。 抗疲劳强度更好，因为镁在铝中的均衡溶解度为2%,于是没有第二相析出。,铜
14、丝,最近人们开始注意铜丝在IC键合中的应用； 便宜，资源充足； 在塑封中抗波动（在垂直长度方向平面内晃动）能力强； 主要问题是键合性问题； 比金和铝硬导致出现弹坑和将金属焊区破坏； 由于易氧化，要在保护气氛下键合。,金属冶金系： Au-Au 系,不同的金属焊区和丝线导致不同的金属冶金系，便具有不同的可靠性行为。典型的合金系有：,Au-Au 系 金丝线与金焊盘键合最可靠， 没有界面腐蚀和金属间化合物形成， 即使进行冷超声也能形成键合， 热压和热声焊很容易进行， 表面污染严重影响热压焊的可键合性,Au-Al 系,是最常见的键合搭配， 容易形成AuAl金属间化合物，如 Au5Al2 (棕褐色), A
15、u4Al (棕褐色), Au2Al (灰色), AuAl (白色), AuAl2 (深紫色)， AuAl2 即使在室温下也能在接触界面下形成，然后转变成其他IMC，带来可靠性问题， 这些IMC晶格常数、机械、热性能不同，反应时会产生物质移动，从而在交界层形成可见的柯肯达尔效应，或者产生裂纹。,Au-Cu 系,金丝键合到铜引脚上情形， 三种柔软的IMC相 (Cu3Au, AuCu, 和 Au3Cu)活化能在 0.8到1电子伏特之间， 它们在高温(200-325oC)时候由于柯肯达尔效应容易降低强度 ， 强度的降低明显取决于微观结构、焊接质量和铜的杂质含量， 表面清洁度对于可键合性以及可靠性至关重
16、要， 另外如果有机聚合材料用于晶片的连接，那么聚合材料要在保护气氛下固化以防止氧化。,Au-Ag 系 Au-Ag 键合系的高温长时间可靠性很好， 无IMC形成且无腐蚀 金丝键合到镀银的引脚上已经使用多年 硫的污染会影响可键合性 常在高温下 (约 250oC)进行热声键合，以分离硫化银膜而提高可键合性。 Al-Al 系 极其可靠，无IMC，无腐蚀， 超声键合更好,Al-Ag 系,Ag-Al 相图非常复杂，有很多IMC， 柯肯达尔效应容易发生，但是在工作温度以上， 实际很少使用这种搭配，因为相互扩散和湿度条件下的氧化， 氯是主要的腐蚀元素， 键合表面必须要用溶剂清洗.然后用硅胶防护。,Al-Ni 系,Al-Ni键合使用直径大于75m的Al线, 以避免 发生柯肯达尔空洞效应。 应用于高温功率器件，如航行器的叶片。 对于键合区，多数情况下Ni是通过硼化物或者磺胺溶液化学镀沉积的，而化学镍磷镀会引入6 至 8% 的磷而影响可靠性，但是Ni的氧化也会产生可键合性的问题。 镀Ni的键合应该进行化学清洗。,Cu-Al 系,在富铜的一边，会有5种IMC形成，于是失效和AuAl系
