摘 要： 半導(dǎo)體的性能和可靠性與器件的封裝形式密切相關(guān)，而引線鍵合工藝無(wú)疑是其中重要且容易出現(xiàn)失效的一環(huán)，其失效大約占總失效的1/3。因此，對(duì)引線鍵合工藝的深入理解對(duì)器件封裝至關(guān)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(shù)原理與特點(diǎn)、引線鍵合的打線方式、引線鍵合的實(shí)際應(yīng)用以及引線鍵合常見的失效形式等。本文對(duì)引線鍵合的綜合性論述工作對(duì)器件封裝的設(shè)計(jì)和制造有著重要的啟引作用。

關(guān)鍵詞： 封裝；鍵合機(jī)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(xì)的金線連接到引線框架上的內(nèi)引腳上，使芯片與外界形成信號(hào)互聯(lián)。通常先在金線上燒球，將其鍵合到第一焊點(diǎn)后跟隨瓷嘴牽引出線弧，將另一端粘合到第二個(gè)焊點(diǎn)（一般為月牙形/魚尾形），如圖13。

金線鍵合時(shí)，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(zhǎng)度。合適的壓力、溫度、超聲能量和鍵合時(shí)間也都會(huì)影響焊接質(zhì)量。當(dāng)金球和鋁墊芯片在表面形成金屬化合物，完成第一焊點(diǎn)后，金線被劈刀拉到相應(yīng)的引腳上，在相同條件下，形成第二焊點(diǎn)。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(hào)傳輸?shù)酵獠恳_。在金線拉力試驗(yàn)中，斷點(diǎn)在A或E點(diǎn)時(shí)，無(wú)論拉力有多大均視為不良，斷點(diǎn)在B、C、D點(diǎn)時(shí)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(diǎn)開始打線至第二焊點(diǎn)，截線尾結(jié)束（無(wú)保護(hù)球）。
BSOB正打：先在第二焊點(diǎn)（基板上）上種一個(gè)金球（保護(hù)球），再?gòu)牡谝缓更c(diǎn)（電極上）打線至第二焊點(diǎn)的金球上，截線尾后結(jié)束（先種保護(hù)球后打線）。
BSOB反打：先在第二焊點(diǎn)（電極上）上種一個(gè)金球（保護(hù)球），再?gòu)牡谝缓更c(diǎn)（基板上）打線至第二焊點(diǎn)的金球上，截線尾后結(jié)束（先種保護(hù)球后打線）。
BBOS正打：先從第一焊點(diǎn)上打線至第二焊點(diǎn)，截線尾后，在線尾位置再種一顆金球?yàn)楸Ｗo(hù)球（先打線后種保護(hù)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(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)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(yù)植保護(hù)球，可以有效地保護(hù)焊盤下方的電路不受損壞，特別是對(duì)于銅線等高硬度的引線鍵合。其缺點(diǎn)主要包括鍵合工序復(fù)雜，整體效率偏低，不適用于簡(jiǎn)單的封裝結(jié)構(gòu)；在種植保護(hù)球并在保護(hù)球上形成第二焊點(diǎn)的過程中，容易出現(xiàn)缺陷，影響生產(chǎn)效率；當(dāng)?shù)诙€(gè)焊點(diǎn)粘接在保護(hù)球上時(shí)，切割線尾時(shí)易留下線尾殘留，導(dǎo)致芯片有效區(qū)域短路^[21]。

BBOS與BSOB的區(qū)別在于保護(hù)球在線尾之上，目的主要是為了固定焊點(diǎn)，增加鍵合強(qiáng)度，改善第二焊點(diǎn)的質(zhì)量。這種鍵合方式的優(yōu)點(diǎn)是鍵合工序簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，大概是BSOB的兩倍左右，適用于低價(jià)高效的小型封裝器件；將第二焊點(diǎn)鍵合在支架上，不會(huì)影響到芯片的功能，減小線尾。而缺點(diǎn)則是在第一焊點(diǎn)拉線弧會(huì)導(dǎo)致封裝體較厚，因此不適合小型封裝；第一焊點(diǎn)與芯片電極直接接觸，會(huì)損壞芯片表層、造成各種失效，包括彈坑等；第二焊點(diǎn)與支架直接接觸，極易發(fā)生失效現(xiàn)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(qiáng)度的情況導(dǎo)致金線球焊時(shí)引線與基板焊盤的結(jié)合度不高，從而發(fā)生虛焊等失效現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以采用BBOS鍵合方式在引線末端種下一顆保護(hù)球進(jìn)行加固，不過鍵合第二焊點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)線尾短等其他失效現(xiàn)象，即使采用BBOS的保護(hù)球，鍵合效率依舊會(huì)受到影響。目前主流的自動(dòng)金線球焊鍵合機(jī)均有預(yù)植金球功能，即使在表面狀態(tài)很差的厚膜基板鍵合區(qū)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(jìn)行球焊，拱絲至預(yù)植金球上，進(jìn)行月牙鍵合，由于預(yù)植的金球給月牙鍵合提供了表面狀態(tài)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(yīng)用在細(xì)長(zhǎng)的焊盤。

表6列舉了不同直徑的金線的載流能力，鍵合時(shí)根據(jù)芯片電流大小來(lái)確定選擇金線直徑和焊線的數(shù)量。

表6 金引線中最大允許電流

Tab.6 Maximum allowable current in gold wire

4.2  鋁線鍵合打線形式與特點(diǎn)

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(shí)，其需要注意以下幾點(diǎn)：線弧弧度過低會(huì)導(dǎo)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(diǎn)；焊線與芯片邊緣不能接觸，否則可能造成失效。鋁價(jià)格低廉，相比于金線而言，鋁線有粗細(xì)之分，細(xì)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(dāng)兩種熱膨脹系數(shù)相差較大的物體結(jié)合在一起后，隨著環(huán)境溫度的變化，其間的熱應(yīng)力會(huì)越來(lái)越強(qiáng)烈，器件封裝體內(nèi)熱量也會(huì)逐漸積累，以TO硅基芯片的器件為例，硅的熱膨脹系數(shù)是2.6×10-6 K-1，當(dāng)采用大其將近十倍的鋁線鍵合時(shí)，鍵合焊點(diǎn)與引線會(huì)在溫度循環(huán)中將出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成器件的失效。材料之間性質(zhì)的差異會(huì)造成熱量聚集，不及時(shí)散熱的話會(huì)嚴(yán)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(yīng)運(yùn)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(shí)，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(yīng)，并且可以有效地降低封裝的厚度。鋁帶粘接廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電性好、寄生電感小、電流大的工作條件下，但其缺點(diǎn)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(jù)芯片電流大小、工作時(shí)產(chǎn)生熱量大小等等來(lái)確定焊點(diǎn)個(gè)數(shù)、焊線條數(shù)，從而存在不同打線方式。當(dāng)芯片較大、電極較小時(shí)采用球焊可能會(huì)接觸芯片導(dǎo)致短路，而芯片最多焊接線數(shù)會(huì)由于機(jī)器入線口大小限制數(shù)量；同時(shí)需要根據(jù)器件電壓、功率、電流、芯片電極大小選用不同線徑、材質(zhì)的焊接線，如15mil鋁線可以流過25A電流，超過額定電流則會(huì)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

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(huì)適當(dāng)調(diào)節(jié)引線孔的角度以降低失效的可能。當(dāng)我們?cè)谏钋环庋b中出現(xiàn)鍵合問題時(shí)，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(diǎn)與芯片焊盤上的第一鍵合點(diǎn)進(jìn)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(shù)有增加引線塌陷和芯片邊沿引線短路的可能性。因此，當(dāng)我們對(duì)任何封裝使用反向鍵合技術(shù)時(shí)，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(jīng)過實(shí)際打樣，我們發(fā)現(xiàn)如果將楔形鍵合中芯片焊盤當(dāng)作第一焊點(diǎn)，引腳作為第二焊點(diǎn)，劈刀會(huì)在第二焊點(diǎn)結(jié)束后對(duì)引線進(jìn)行切斷以進(jìn)行下一次鍵合，這時(shí)會(huì)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(shù)時(shí)要考慮芯片是否會(huì)在引線切斷的時(shí)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(xù)）

參考文獻(xiàn)

[1] CSIA.國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知

[EB/OL].(2020-08-05)[2021-03-04].http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=95726.

[2]晁宇晴, 楊兆建, 喬海靈. 引線鍵合技術(shù)進(jìn)展[J]. 電子工藝技術(shù), 2007, 28(004):205-210.

[3] 斯芳虎.LED金線鍵合工藝的質(zhì)量控制[J].電子質(zhì)量,2010(03):44-45+48.

[4] 楊陽(yáng).功率器件封裝鋁帶鍵合失效分析及工藝優(yōu)化[D].南京：東南大學(xué),2019.

[5] 李錕.集成電路銅引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)研究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2020(11):56-60+66.

[6] 肖沛宏,付興銘,譚六喜,等.壓力傳感器引線鍵合金線的振動(dòng)疲勞研究[J].傳感器世界,2007(03):10-12.

[7] 賀玲,劉洪濤.引線鍵合的失效機(jī)理及分析[J].微處理機(jī),2017,38(06):17-20.

[8] 吳懿平.引線鍵合原理與工藝[J].環(huán)球SMT與封裝,2007,7(6):8-10.

[9] 羅玨,康敏,趙鶴然,等.金絲鍵合短尾問題分析及解決[J].微處理機(jī),2020,41(03):17-19.

[10] 王寧寧,何宗鵬,張振明,等.功率VDMOS器件粗鋁絲鍵合工藝研究[J].電子工藝技術(shù),2015,36(01):25-28.

[11] 廖雯,毛繁,但雪梅,等.一種瓦片式T/R的關(guān)鍵工藝分析[J].壓電與聲光,2018,40(03):323-325+330.

[12] 唐家霖,崔潔,柳青.鍵合引線懸空的引線鍵合工藝研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2016,45(08):5-8.

[13] 丁康偉. 半導(dǎo)體金線鍵合可靠性研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院）,2014.

[14] 余齋. 改善熱壓超聲球焊點(diǎn)鍵合強(qiáng)度的工藝研究[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[15] 沙帕拉·K·普拉薩德,劉亞強(qiáng)（譯）.復(fù)雜的引線鍵合互聯(lián)工藝[M].北京：中國(guó)宇航出版社,2015.9.

[16] 徐佳慧. 射頻器件超細(xì)引線鍵合工藝及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2020.

[17] 呂磊.引線鍵合工藝介紹及質(zhì)量檢驗(yàn)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2008(03):53-60.

[18] 侯育增. 功率外殼粗鋁絲鍵合可靠性工藝研究[D].南京：南京理工大學(xué),2013.

[19] 譚一帆. 基于新型層疊DBC混合封裝功率模塊的鍵合線可靠性研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2019.

[20]A. GRAMS, C. EHRHARDT, J. JAESCHKE,et al.  "Simulation of the Lifetime of Wire Bonds Modified through Wedge Trenches for Higher Reliability," CIPS 2016; 9th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, Nuremberg, Germany, 2016, pp. 1-4.

[21]W. HUANG, D. BAI AND A. LUO, "Stress simulation for 2N gold wires and evaluation on the stitch bond shapes," 2011 International Symposium on Advanced Packaging Materials (APM), Xiamen, 2011, pp. 134-140, doi: 10.1109/ISAPM.2011.6105722.

[22]J. ZHAO, F. QIN, T. AN, ,et al. "Electro-thermal and thermal-mechanical FE analysis of IGBT module with different bonding wire shape," 2017 18th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), Harbin, 2017, pp. 548-551, doi: 10.1109/ICEPT.2017.8046514.

[23]段之剛. DFN1006新型引線鍵合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2017.

[24] 燕子鵬,秦文龍,賀從勇.BSOB鍵合工藝在厚膜基板引線互聯(lián)中的研究[J/OL].微電子學(xué):1-5[2021-01-19].

[25] 劉猛. 脈沖功率系統(tǒng)中IGBT模塊封裝的研究[D].成都：西南交通大學(xué),2017.