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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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3 引線鍵合的工藝特點
3.1 球形鍵合與楔形鍵合
根據焊點的形狀不同，我們將引線鍵合的形式劃分成球形鍵合與楔形鍵合，一般先在芯片表面形成第一個焊點，并在穩定之后將引線拉動以形成線弧，最后在引線框架或基板上形成第二個焊點。
球形鍵合，顧名思義就是將焊線通過高溫熔化成球，以一定的形狀與大小壓在焊盤上，通過超聲能量或者熱壓力將球壓扁，達到塑性變形后與焊盤上的金屬材料完成界面間的擴散，在鍵合過程中主要以熱壓超聲鍵合方式為主。
楔形鍵合，一般通過超聲能量進行焊接，超聲能量使引線變形，再施加壓力，從而形成楔形焊點，拉伸形成線弧后，在第二焊點進行相同操作，切斷線尾，完成鍵合，在鍵合過程中主要以超聲鍵合方式為主。
管狀劈刀一般應用在球形鍵合，材料為陶瓷，多用于線徑較小的金線與銅線；楔形劈刀則應用在楔形鍵合，材料為鎢鋼或鈦鋼，常用于線徑為3mil-20mil的粗鋁線。鍵合過程中主要以壓力超聲鍵合方式為主。
球形鍵合與楔形鍵合的工序如圖7：
圖7 球形鍵合（a）與楔形鍵合（b）
Fig.7 Ball bonding (a) and wedge bonding (b)
兩種鍵合形式的區別在于球形鍵合在每次鍵合循環前會形成燒球，將燒球鍵合在焊盤上作為第一焊點；楔形鍵合則是引線在超聲能量與加壓下形成楔狀焊點鍵合在焊盤上，主要是第一焊點的形狀有所差異以及后續形成線弧的移動方向有所差異[17]。球形鍵合與楔形鍵合新年能比較如表3所示。
表3 球形鍵合與楔形鍵合優缺點比較
Tab.3 Comparison of advantages and disadvantages of ball bonding and wedge bonding
優點 | 缺點 | |
球形鍵合 | 作為第一鍵合點，可以將引線拉伸至任何方向，不傷害球頸； 可靠性高，缺陷較少； 工作效率高。
| 成球需要高溫，對于易氧化的引線需要進行氣體保護； 對鍵合界面敏感，需要在鍵合前進行預處理； 成球過大，不適合小焊盤； 高溫情況下，容易在金屬接觸面形成多種金屬間鍵合物。 |
楔形鍵合 | 室溫下加工，無需保護氣體； 一般不會出現鍵合界面發生氧化導致界面污染； 冶金學的超聲鍵合能夠在許多不同金屬間完成且很難形成金屬間化合物； 焊點較小，能實現小間距器件鍵合。 | 引線必須平行鍵合點，工作效率低； 第二焊點低于第一焊點時，引線容易接觸到器件邊緣導致短路； 不適合厚實金屬層的鍵合。
|
3.2 鍵合材料特性與差異
鍵合工序中的鍵合材料主要有金、銅、鋁三種線材，其應具備以下特點：化學性質穩定、不易形成有害的金屬間化合物，不形成造成腐蝕的物質；結合性好，能與半導體材料形成低電阻歐姆接觸；彈性好；引線材質延展性好，易被加工成細絲，易于卷繞，并容易實現鍵合；表面平整干凈[18]。表4對三種鍵合引線的物理參數進行比較，通過其間的參數對比分析其應用與可靠性問題。
表4 三種鍵合引線物理參數比較
Tab.4 Comparison of physical parameters of three bonding wires
材料 | Au | Al | Cu |
彈性模量（GPa） | 78 | 50 | 110-140 |
電阻率（nΩ·m） | 24 | 28.3 | 17.5 |
熱導率（W/（m·K）） | 318 | 221 | 400 |
CTE（10^(-6）K） | 14.2 | 23 | 17.7 |
密度（g·cm^(-3)） | 19.2 | 2.7 | 8.9 |
熔點（℃） | 1064.18 | 660 | 1083 |
氧化物熔點（℃） | 不易氧化 | 2054 | 1326 |
從表格我們可以看出，金線的各方面參數較其它兩種材料更為優秀，卻因為價格劣勢而不得不尋找替代品；雖然傳統的銅線相比于金線也有著很多劣勢：表面易氧化、存儲時間更短、硬度較高、可鍵合性能較差、長期可靠性比金線更差，但其在熱導率、電阻率以及價格上有著更高的優勢，這使得銅線很有機會取代金線。硬度大與易氧化是銅線取代金線的兩大障礙，這嚴重影響封裝可靠性[19]，但是只要克服了這些問題，在材料上面的成本將大大降低；對于鋁線來說，其材質較軟，工藝簡單，物理性質優越，價錢很低，被廣泛使用于各類電子器件中。
其中金線廣泛應用于熱壓鍵合和熱壓超聲鍵合，其球焊速度快、可靠性高，滿足一般芯片的鍵合需求，適用于分立器件與普通IC。燒球是否牢固是金線球鍵合可靠性的重要指標，通過試驗發現金線球焊在空氣中焊點圓度高，鋁線、銅線球焊由于表面氧化的影響，其加熱易氧化成一層硬的氧化膜阻礙球的形成，空氣中焊點圓度較差，因此，金線是最適合球焊的材料。
因為鋁在溫度高的情況下容易反應形成相應氧化物，嚴重破壞鍵合的穩定性與牢固性，極易失效，而超聲鍵合的工作條件一般都是在室溫下，大概率降低失效發生，比較適合鋁線鍵合。鋁線主要應用于IC、功率器件等。粗鋁線鍵合技術是一種大功率鍵合技術，由于其在鍵合過程中不與芯片上的鋁墊產生金屬間化合物，因此在某些精密儀器或高可靠流域中得到廣泛應用。超聲鍵合適合鍵合對溫度要求嚴格的MOS器件、電子表芯、微波和高頻電子器件，同時也適合大功率器件陶瓷封裝的IC和混合電路的鍵合。
銅線相較于金線價格更低，因此在很多器件的焊線使用慢慢轉向銅線。另外，銅和鋁金屬間化合物擴散速度遠小于金和鋁，不容易造成失效情況的發生，這也是用銅線取代金線的一個重要原因。
3.3 鍵合引線的形狀對鍵合的影響
溫度變化時產生的熱應力會根據鍵合引線的形狀有所不同，因此有相關研究提出通過優化鍵合引線的形狀來提高鍵合的可靠性。
圖 8 楔形鍵合焊點形狀比較[20]
Fig.8 Comparison of the solder joint shapes of wedge bonding
Arian Grams等人提出通過改變楔形焊點的結構來提高鍵合可靠性，其利用激光對焊點進行不同形式的切割，經過一定時間的冷熱沖擊試驗分別比較如圖8四種結構的可靠性，試驗表明形成獨立楔狀的D結構可靠性相對于其它三種要更好。另外，Arian Grams對鍵合金屬線徑與鍵合可靠性之間的關系也有一定研究，其通過試驗驗證了在傳統封裝工藝流程中，線徑越大，造成失效的風險就越高[19-20]。
圖 9 楔形焊點長寬比較[21]
Fig.9 Comparison of the length and width of wedge bonding
飛思卡爾半導體有限公司的Huang Weidong研究楔形焊點的形狀對于焊點熱應力的影響，如圖9所示。他通過改變焊點的長度和寬度，由仿真得到最大的應力值，最后發現焊點長度最短的A結構應力值最大，所以他提出在楔形鍵合時要避免形成較短的焊點長度[19,21]。
圖 10 鍵合線彎曲程度熱應力比較[22]
Fig.10 Thermal stress comparison of the bending degree of bonding wire
北京理工大學的ZHAO Jingyi通過電熱力耦合仿真比較了3種不同彎曲程度的鍵合線所產生的熱應力的大小情況，如圖10所示。分析得出第二種拋物線形狀的鍵合線的最大Von-mises應力值最小，即這種形狀的鍵合線的可靠性最高[19,22]。
鍵合引線的形狀和長度對于它自身的可靠性來說十分重要，如果控制好其形狀能在一定程度上提高封裝可靠性。例如，拉得太緊的拱絲可能導致熱循環的失效；而在其他極端情況下，太大的拱絲可能導致引線彎曲和引線傾倒引起彼此短路。
引線高度和拱絲高度的定義稍微有些不同，引線高度是從芯片到拱絲形成過程中引線即將接觸劈刀的那個點的垂直距離，這個點比拱絲的頂部稍低。總拱絲高度是從芯片的頂部到拱絲的頂部來計算的。圖11所示為引線高度和拱絲高度，不同封裝的一些典型的拱絲高度見表5。
圖11 引線高度和拱絲高度
Fig.11 Schematic diagram of lead height and arch wire height
表5 不同封裝形式的拱絲高度
Tab.5 The arch wire height of different packaging forms
TQFP | 6mil（0.15mm）最大 |
TSOP TYPE1 | 6mil（0.15mm）典型 |
MQFP SOIC PDIP | 12mil（0.30mm）典型 |
PLCC | 15mil（0.38mm）典型 |
CSP | 4mil（0.1mm） |
影響引線鍵合成品率最重要的因素之一是引線拱絲的形成，即在球和楔鍵合之間引線拱絲的輪廓。在細間距鍵合工藝中，細且長的引線容易形成不合適的引線拱絲形狀，歪扭和塌陷。對于專用器件，一致性的拱絲參數控制和拱絲形狀的優化是鍵合工程師須應對的挑戰。如果拱絲高度太高，它可能導致引線塌陷、引線傾倒、接近第二鍵合點的角度偏陡以及與陶瓷封裝接觸。如果拱絲高度較低，它可能導致焊球頸部損傷、被伸展的引線可能在熱循環期間失效、引線接觸到芯片邊緣以及引線接觸到引腳框架邊緣。因此拱絲高度的控制對于改進引線鍵合的成品率及封裝的可靠性是必須的。對拱絲高度或拱絲形狀有改變的需求時，可以根據封裝的要求，選擇合適的拱絲輪廓。如圖12所示，當鍵合焊盤接近于芯片邊緣，而且引線拱絲長度較長時，采用標準的拱絲輪廓；當鍵合焊盤不接近于芯片邊緣，而且拱絲長度較短時，采用的拱絲輪廓是一個處理過的拱絲輪廓。
圖12 不同的拱絲輪廓圖
Fig.12 Different arch wire outline drawings
3.4 鍵合引線的選用
產品的性質決定了引線使用的尺寸。工作于高功率的產品采用的是粗線徑鋁引線，而引腳數目大且間距小的高頻器件則需要選擇線徑較小的金引線；導通電流較小的產品要求使用線徑小的金線或鋁線，而導通電流較大的產品只能使用粗鋁線。當然，不同引線尺寸的使用也與芯片尺寸、封裝尺寸、焊盤尺寸以及引線框架的設計有聯系。
隨著引線鍵合技術的發展以及金線成本的增加，人們打算采用銅線取代金線，但由于銅線材質較硬且其極易氧化的特性，需要在使用前對芯片材質以及鍵合環境進行考量，避免在銅線鍵合中出現彈坑以及氧化導致產品失效的情況，在這種情況下還是優先選擇采用金線鍵合。
鍵合引線的使用取決于各種因素，但即使決定了引線的尺寸，也需要設備鍵合加工參數的配合，不僅是施加的壓力、超聲能量、熱量、鍵合時間等都需要與之匹配，否則引線質量與鍵合質量都不能得到保證。
（未完待續）
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