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摘 要： 半導體的性能和可靠性與器件的封裝形式密切相關，而引線鍵合工藝無疑是其中重要且容易出現失效的一環，其失效大約占總失效的1/3。因此，對引線鍵合工藝的深入理解對器件封裝至關重要。本文全面深入地闡述了引線鍵合工藝，包括引線鍵合的多種工藝方法、引線鍵合的技術原理與特點、引線鍵合的打線方式、引線鍵合的實際應用以及引線鍵合常見的失效形式等。本文對引線鍵合的綜合性論述工作對器件封裝的設計和制造有著重要的啟引作用。
關鍵詞： 封裝；鍵合機理；鍵合工藝；鍵合材料；打線形式；鍵合失效
Research on Power Device Wire Bonding Technology: A Review
NS Technical Literature of the Third Gen-Semiconductor Project Team
Abstract The performance and reliability of semiconductors are closely related to the packaging form of devices, and the wire bonding process is undoubtedly an important part and is prone to failure, which the wire bonding failures account for about 1/3 of the total failures. Therefore, an deep understanding of the lead bonding process is very important for device packaging. This article comprehensively elaborates on the wire bonding process, including the various techniques, the technical principles and characteristics, the bonding methods, and the practical applications and the common failure modes of wire bonding. It is believed that the comprehensive exposition of the wire bonding in this article has an important inspiration for device packaging.
Keywords packaging；bonding mechanism；bonding process；bonding materials；bonding forms；bonding failure
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4 引線鍵合的打線方式
4.1 金線鍵合主要打線形式
金線鍵合是為了將芯片上的電極用極細的金線連接到引線框架上的內引腳上，使芯片與外界形成信號互聯。通常先在金線上燒球，將其鍵合到第一焊點后跟隨瓷嘴牽引出線弧，將另一端粘合到第二個焊點（一般為月牙形/魚尾形），如圖13。
金線鍵合時，將金線尾部穿入劈刀，使用高壓打火桿將金線尾部熔化形成金球。由于金球的尺寸需要控制在金線線徑的2倍左右，因此金球的大小非常重要，這主要取決于打火桿和線尾的長度。合適的壓力、溫度、超聲能量和鍵合時間也都會影響焊接質量。當金球和鋁墊芯片在表面形成金屬化合物，完成第一焊點后，金線被劈刀拉到相應的引腳上，在相同條件下，形成第二焊點。在牽引過程中，金線形成線弧，通過金線的連接，可以將芯片上的電路信號傳輸到外部引腳。在金線拉力試驗中，斷點在A或E點時，無論拉力有多大均視為不良，斷點在B、C、D點時拉力值須在6g（含）以上。
圖13 金線鍵合示意圖
Fig.13 Schematic diagram of gold wire bonding
圖14主要描述可金線鍵合的幾種主要打線形式，主要有：普通正打、BSOB正打、BSOB反打以及BBOS。
普通正打：從第一焊點開始打線至第二焊點，截線尾結束（無保護球）。
BSOB正打：先在第二焊點（基板上）上種一個金球（保護球），再從第一焊點（電極上）打線至第二焊點的金球上，截線尾后結束（先種保護球后打線）。
BSOB反打：先在第二焊點（電極上）上種一個金球（保護球），再從第一焊點（基板上）打線至第二焊點的金球上，截線尾后結束（先種保護球后打線）。
BBOS正打：先從第一焊點上打線至第二焊點，截線尾后，在線尾位置再種一顆金球為保護球（先打線后種保護球）。
圖14 金線鍵合主要打線形式：(a) 普通正打、(b) BSOB正打、(c) BSOB反打以及(d) BBOS；
Fig.14 The main wire bonding forms of gold wire bonding: (a) normal forward, (b) BSOB forward, (c) BSOB reverse, and (d) BBOS
這幾種打線方式中BSOB適用于MCM多芯片模塊和堆疊芯片的應用，其優點是線弧較低，所以適合封裝體較薄的小型封裝；在鍵合之前在芯片上預植保護球，可以有效地保護焊盤下方的電路不受損壞，特別是對于銅線等高硬度的引線鍵合。其缺點主要包括鍵合工序復雜，整體效率偏低，不適用于簡單的封裝結構；在種植保護球并在保護球上形成第二焊點的過程中，容易出現缺陷，影響生產效率；當第二個焊點粘接在保護球上時，切割線尾時易留下線尾殘留，導致芯片有效區域短路[21]。
BBOS與BSOB的區別在于保護球在線尾之上，目的主要是為了固定焊點，增加鍵合強度，改善第二焊點的質量。這種鍵合方式的優點是鍵合工序簡單，生產效率高，大概是BSOB的兩倍左右，適用于低價高效的小型封裝器件；將第二焊點鍵合在支架上，不會影響到芯片的功能，減小線尾。而缺點則是在第一焊點拉線弧會導致封裝體較厚，因此不適合小型封裝；第一焊點與芯片電極直接接觸，會損壞芯片表層、造成各種失效，包括彈坑等；第二焊點與支架直接接觸，極易發生失效現象[23]。一般而言，厚膜基板鍵合，一般采用BBOS或者BSOB的鍵合方式。鍵合過程中為了防止厚膜基板存在污染、表面粗糙等難以保證鍵合強度的情況導致金線球焊時引線與基板焊盤的結合度不高，從而發生虛焊等失效現象的出現，可以采用BBOS鍵合方式在引線末端種下一顆保護球進行加固，不過鍵合第二焊點時會出現線尾短等其他失效現象，即使采用BBOS的保護球，鍵合效率依舊會受到影響。目前主流的自動金線球焊鍵合機均有預植金球功能，即使在表面狀態很差的厚膜基板鍵合區上，金球也能與之形成可靠的連接，因此就可以采用BSOB的方式，在芯片上進行球焊，拱絲至預植金球上，進行月牙鍵合，由于預植的金球給月牙鍵合提供了表面狀態良好且一致的表面，使月牙和金球形成可靠的連接，此過程可以解決BBOS過程的鍵合不粘或短線尾異常[24]。
此外，還有其它打線方式如BSOS（multiple stitch）和Multi-ball，Multi-ball一般應用在細長的焊盤。
表6列舉了不同直徑的金線的載流能力，鍵合時根據芯片電流大小來確定選擇金線直徑和焊線的數量。
表6 金引線中最大允許電流
Tab.6 Maximum allowable current in gold wire
引線直徑（mil） | 1根引線的最大可允許值 （A） |
1.00 | 1.25 |
1.25 | 1.60 |
1.50 | 1.90 |
1.80 | 2.25 |
2.00 | 2.50 |
4.2 鋁線鍵合打線形式與特點
鋁線不同于金線，其打線形式比較單一，主要是拋物線形狀的打線形式，可參考圖10。在打線時，其需要注意以下幾點：線弧弧度過低會導致鋁線頸部斷裂；線弧高度要高于支架2倍線徑以上、低于塑封膠最高點；焊線與芯片邊緣不能接觸，否則可能造成失效。鋁價格低廉，相比于金線而言，鋁線有粗細之分，細鋁線線徑一般小于4mil，而粗鋁線線徑一般在4mil與20mil之間[25]。
眾所周知，當兩種熱膨脹系數相差較大的物體結合在一起后，隨著環境溫度的變化，其間的熱應力會越來越強烈，器件封裝體內熱量也會逐漸積累，以TO硅基芯片的器件為例，硅的熱膨脹系數是2.6×10-6 K-1，當采用大其將近十倍的鋁線鍵合時，鍵合焊點與引線會在溫度循環中將出現失效的風險，從而造成器件的失效。材料之間性質的差異會造成熱量聚集，不及時散熱的話會嚴重影響器件的可靠性。為了降低失效的概率，提高鍵合引線的載流能力，鋁帶鍵合工藝應運而生，其可以看作多條鋁線橫向排列組合，在增大表面積、提高載流能力與散熱能力的同時，加快了焊線的效率，如圖15所示。此外，它避免了高頻操作引起的趨膚效應，并且可以有效地降低封裝的厚度。鋁帶粘接廣泛應用于導電性好、寄生電感小、電流大的工作條件下，但其缺點是不能大角度彎曲[25]。
圖15 鋁線鍵合（a）和鋁帶鍵合（b）示意圖[23]
Fig.15 Schematic diagrams of aluminum wire bonding (a) and aluminum ribbon bonding (b)
鋁線打線方式常常根據芯片電流大小、工作時產生熱量大小等等來確定焊點個數、焊線條數，從而存在不同打線方式。當芯片較大、電極較小時采用球焊可能會接觸芯片導致短路，而芯片最多焊接線數會由于機器入線口大小限制數量；同時需要根據器件電壓、功率、電流、芯片電極大小選用不同線徑、材質的焊接線，如15mil鋁線可以流過25A電流，超過額定電流則會熔斷。表7列舉了不同直徑鋁線的載流能力。以下是打線要求：
表7 在鋁引線中最大允許電流
Tab.7 Mean photoelectric parameters and standard deviation corresponding to the amount of paste
引線尺寸（mil） | 1根引線的最大可允許值 （A） |
1.25 | 0.7 |
5.00 | 5.4 |
7.00 | 8.9 |
10.00 | 15.2 |
15.00 | 27.9 |
20.00 | 42.9 |
另外，在反向鍵合中，由于在超聲鋁線鍵合中一般采用的是30°引線孔喂料，在一些深腔封裝中容易造成引線與封裝的碰撞與摩擦，留下擦痕甚至缺口，埋下了器件失效的隱患，因此，我們會適當調節引線孔的角度以降低失效的可能。當我們在深腔封裝中出現鍵合問題時，一種解決方法是使用反向鍵合，我們將引腳上的第二鍵合點與芯片焊盤上的第一鍵合點進行順序交換，也就是反向鍵合，如圖16。可是，采用反向鍵合技術有增加引線塌陷和芯片邊沿引線短路的可能性。因此，當我們對任何封裝使用反向鍵合技術時，必須給操作者專門的指令。
圖16 反向鍵合示意圖
Fig.16 Schematic diagrams of 5 different nozzles
經過實際打樣，我們發現如果將楔形鍵合中芯片焊盤當作第一焊點，引腳作為第二焊點，劈刀會在第二焊點結束后對引線進行切斷以進行下一次鍵合，這時會在支架上留下一道較深的切痕，如圖17所示。所以，楔形鍵合在采用反向鍵合技術時要考慮芯片是否會在引線切斷的時候被損壞。
圖17 引腳處存在切痕
Fig.17 Schematic diagrams of 5 different nozzles
（未完待續）
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