第二讲微系统封装技术-引线键合

哈尔滨理工大学焊接课程设计一级封装中的引线键合设计班级：材型09-4学号：0902040408姓名：刘阳指导教师：赵智力1.设计任务书设计要求及有关数据：一级封装中需要将芯片上电路与外电路之间实现电气连接，芯片上预制的焊盘为Al金属化层，采用引线键合技术连接时，可选金丝或铝丝进行连接，本课程设计任务即是分别采用金丝和铝丝时的连接设计，引线丝直径为25微米。

1). 进行焊接性分析；2）根据被连接材料的特点，分别设计金丝和铝丝的烧球工艺，选择各自适合的焊接方法及焊接设备（介绍其工作原理），设计具体焊接工艺参数（氧化膜的去除机理、施加压力、钎、加热温度、连接时间）)的确定。

3）该结构材料间的连接特点、连接界面组织与连接机理及接头强度的简要分析；2.所焊零件（器件）结构分析、焊接性分析2.1 Al金属化层焊盘结构分析：说明：Chip：芯片（本题目为Al芯片）Gold wire：金丝Mold resin：填充树脂Lead：导线2.2焊接性分析2.2.1综述：Al及Al合金的焊接性：铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3熔点约为2050℃，MgO熔点约为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。

由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。

同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。

此外，铝及其合金的线膨胀系数大，焊接时容易产生翘曲变形。

这些都是焊接生产中颇感困难的问题。

2.2.2 铝合金焊接中的气孔氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因,已为实践所证明。

弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分都是焊缝气孔中氢的重要来源。

其中，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水份，对焊缝气孔的产生，常常占有突出的地位。

1)弧柱气氛中水分的影响弧柱空间总是或多或少存在一定数量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时，由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，可成为焊缝气孔的主要原因。

引线键合的失效机理目录1、引线键合---------------------------------------------------3 1.1常用的焊线方法-------------------------------------------31.1.1热压键合法--------------------------------------------31.1.2超声键合法--------------------------------------------31.1.3热超声键合法------------------------------------------31.1.4三种各种引线键合工艺优缺点比较------------------------41.2引线键合工艺过程-----------------------------------------42、键合工艺差错造成的失----------------------------------------62.1焊盘出坑------------------------------------------------7 2.2尾丝不一致----------------------------------------------72.3键合剥离------------------------------------------------72.4引线弯曲疲劳--------------------------------------------72.5键合点和焊盘腐蚀----------------------------------------72.6引线框架腐蚀--------------------------------------------82.7金属迁移------------------------------------------------82.8振动疲劳------------------------------------------------83、内引线断裂和脱键--------------------------------------------84、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----------------------------------94.3改善方法------------------------------------------------105、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----------------------------105.3引线疲劳------------------------------------------------116、键合应力过大造成的失效-------------------------------------11 参考文献-------------------------------------------------------121、引线键合引线键合是芯片和外部封装体之间互连最常见和最有效的连接工艺。

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 searchheight)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•7.松开线夹键合头上升到“tail heightposition”形成预留尾丝长度•8.线夹关闭，键合头上升将金线从第二键合点尾端压痕处拉断。

浅析引线键合摘要：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]。

关键词：集成电路引线键合方向发展Abstract: with the development of integrated circuits, advanced packaging technology constantly changing to adapt to all kinds of semiconductor of new technology and new material requirements and challenges. Semiconductor package internal chip and the external pin and the connection between the chip having established chip and external electrical connection, ensure the chip and outside between the input / output smooth important role, the whole package after the road is the key process in the. Wire bonding technology to achieve a simple, low cost, suitable for various packaging forms and in a connection mode in the dominant, all current package pins above 90% using a wire bond connection [1].Key words: integrated circuit lead wire bonding direction目前封装形式一方面朝着高性能的方向发展，另一方面朝着轻薄短小的方向发展，对封装工艺圆片研磨、芯片粘贴、引线键合都提出了新的要求。

集成电路封装中的引线键合技术集成电路封装中的引线键合技术2007-03-29 13:17集成电路封装中的引线键合技术黄⽟财1 程秀兰1 蔡俊荣2上海交通⼤学微电⼦学院（1. 上海交通⼤学微电⼦学院，上海200030 2. 星科⾦朋（上海）有限公司201702）摘要: 在回顾现⾏的引线键合技术之后,本⽂主要探讨了集成电路封装中引线键合技术的发展趋势。

球形焊接⼯艺⽐楔形焊接⼯艺具有更多的优势，因⽽获得了⼴泛使⽤。

传统的前向拱丝越来越难以满⾜⽬前封装的⾼密度要求，反向拱丝能满⾜⾮常低的弧⾼的要求。

前向拱丝和反向拱丝⼯艺相结合，能适应复杂的多排引线键合和多芯⽚封装结构的要求。

不断发展的引线键合技术使得引线键合⼯艺能继续满⾜封装⽇益发展的要求，为封装继续提供低成本解决⽅案。

关键词: 引线键合；球形焊接；楔形焊接；反向键合分类号：TN305 ⽂献标志码：BWire Bonding Technology in IC PackagingHuang Yucai1 Cheng Xiulan1 Cai Junrong2(1. School of Microelectronics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 2000302. STATS ChipPAC Shanghai Co., Ltd, Shanghia, 201702)Abstract:After reviewing current wire bonding technology, wire bonding technology development trends are discussed. Ball bonding has more advantages than wedge bonding, so that it is widely used in IC Packaging. Traditional forward looping technology is becoming hard to meet high-density requirements of IC Packaging, and reverse looping can comparatively achieve very low loop height. Integrated forward looping and reverse looping, complex multi layer wire bonding and multi chip packaging can be achieved. Summarily, with continuously developing wire bonding technology, it can meet advanced packaging requirement and provide a low cost solution for packaging.Key words: Wire Bonding; Ball Bonding; Wedge Bonding; Reverse Bonding1. 封装技术简介IC封装就是将晶圆切割下来，再安装⾄引线框架（基板）上，并以⾦属丝或凸点连接裸芯⽚及引线框架或基板的线路，接着在晶粒外⾯包装绝缘的塑料或陶瓷外壳，就完成IC的封装，完成后再做⼀次测试，将不合格品挑出来。

wirebond资料（原创版）目录1.Wirebond 技术的概述2.Wirebond 技术的应用领域3.Wirebond 技术的优势和局限性4.我国在 Wirebond 技术方面的发展正文1.Wirebond 技术的概述Wirebond 技术，又称为引线键合技术，是一种将芯片与载体通过引线连接的封装技术。

这种技术主要应用于半导体制造和电子封装领域，可以提高电子设备的性能和可靠性。

Wirebond 技术具有操作简便、成本低廉、连接可靠等优点，因此在全球范围内得到了广泛的应用。

2.Wirebond 技术的应用领域Wirebond 技术在多个领域都有应用，主要包括：（1）光电子器件：如 LED、激光器等；（2）MEMS（微机电系统）：如加速度计、陀螺仪等；（3）生物医学传感器：如血糖传感器、血压传感器等；（4）微波通信器件：如微波毫米波器件等；（5）汽车电子：如发动机控制模块、车载通讯模块等。

3.Wirebond 技术的优势和局限性Wirebond 技术具有以下优势：（1）连接可靠性高：采用引线键合技术可以实现良好的电气连接和机械强度；（2）封装尺寸小：Wirebond 技术可以实现小型化、轻量化的封装，满足电子产品微型化的需求；（3）生产效率高：Wirebond 技术具有简便的操作流程，可以降低生产成本和提高生产效率；（4）适用范围广：Wirebond 技术可应用于多种半导体材料和载体，具有较强的适应性。

然而，Wirebond 技术也存在一些局限性，如：（1）引线容易受到机械应力的影响，导致连接可靠性下降；（2）由于引线直径较细，焊接过程中容易出现焊点不良的问题；（3）封装精度受到一定限制，难以满足高精度、高性能的电子设备需求。

4.我国在 Wirebond 技术方面的发展我国在 Wirebond 技术方面取得了显著的进展。

近年来，随着国家政策的扶持和市场需求的推动，我国半导体产业得到了快速发展。

在此背景下，Wirebond 技术也得到了重视，许多企业和科研机构纷纷投入研发。

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。