摘 要： 半導體的性能和可靠性與器件的封裝形式密切相關(guān)，而引線(xiàn)鍵合工藝無(wú)疑是其中重要且容易出現失效的一環(huán)，其失效大約占總失效的1/3。因此，對引線(xiàn)鍵合工藝的深入理解對器件封裝至關(guān)重要。本文全面深入地闡述了引線(xiàn)鍵合工藝，包括引線(xiàn)鍵合的多種工藝方法、引線(xiàn)鍵合的技術(shù)原理與特點(diǎn)、引線(xiàn)鍵合的打線(xiàn)方式、引線(xiàn)鍵合的實(shí)際應用以及引線(xiàn)鍵合常見(jiàn)的失效形式等。本文對引線(xiàn)鍵合的綜合性論述工作對器件封裝的設計和制造有著(zhù)重要的啟引作用。

關(guān)鍵詞： 封裝；鍵合機理；鍵合工藝；鍵合材料；打線(xiàn)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(xiàn)鍵合的打線(xiàn)方式

4.1  金線(xiàn)鍵合主要打線(xiàn)形式

金線(xiàn)鍵合是為了將芯片上的電極用極細的金線(xiàn)連接到引線(xiàn)框架上的內引腳上，使芯片與外界形成信號互聯(lián)。通常先在金線(xiàn)上燒球，將其鍵合到第一焊點(diǎn)后跟隨瓷嘴牽引出線(xiàn)弧，將另一端粘合到第二個(gè)焊點(diǎn)（一般為月牙形/魚(yú)尾形），如圖13。

金線(xiàn)鍵合時(shí)，將金線(xiàn)尾部穿入劈刀，使用高壓打火桿將金線(xiàn)尾部熔化形成金球。由于金球的尺寸需要控制在金線(xiàn)線(xiàn)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(xiàn)尾的長(cháng)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(xiàn)被劈刀拉到相應的引腳上，在相同條件下，形成第二焊點(diǎn)。在牽引過(guò)程中，金線(xiàn)形成線(xiàn)弧，通過(guò)金線(xiàn)的連接，可以將芯片上的電路信號傳輸到外部引腳。在金線(xiàn)拉力試驗中，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(xiàn)鍵合示意圖
Fig.13 Schematic diagram of gold wire bonding

圖14主要描述可金線(xiàn)鍵合的幾種主要打線(xiàn)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(kāi)始打線(xiàn)至第二焊點(diǎn)，截線(xiàn)尾結束（無(wú)保護球）。
BSOB正打：先在第二焊點(diǎn)（基板上）上種一個(gè)金球（保護球），再從第一焊點(diǎn)（電極上）打線(xiàn)至第二焊點(diǎn)的金球上，截線(xiàn)尾后結束（先種保護球后打線(xiàn)）。
BSOB反打：先在第二焊點(diǎn)（電極上）上種一個(gè)金球（保護球），再從第一焊點(diǎn)（基板上）打線(xiàn)至第二焊點(diǎn)的金球上，截線(xiàn)尾后結束（先種保護球后打線(xiàn)）。
BBOS正打：先從第一焊點(diǎn)上打線(xiàn)至第二焊點(diǎn)，截線(xiàn)尾后，在線(xiàn)尾位置再種一顆金球為保護球（先打線(xiàn)后種保護球）。

圖14 金線(xiàn)鍵合主要打線(xiàn)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(xiàn)方式中BSOB適用于MCM多芯片模塊和堆疊芯片的應用，其優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)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(pán)下方的電路不受損壞，特別是對于銅線(xiàn)等高硬度的引線(xiàn)鍵合。其缺點(diǎn)主要包括鍵合工序復雜，整體效率偏低，不適用于簡(jiǎn)單的封裝結構；在種植保護球并在保護球上形成第二焊點(diǎn)的過(guò)程中，容易出現缺陷，影響生產(chǎn)效率；當第二個(gè)焊點(diǎn)粘接在保護球上時(shí)，切割線(xiàn)尾時(shí)易留下線(xiàn)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(xiàn)尾之上，目的主要是為了固定焊點(diǎn)，增加鍵合強度，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(xiàn)尾。而缺點(diǎn)則是在第一焊點(diǎn)拉線(xiàn)弧會(huì )導致封裝體較厚，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(guò)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(xiàn)球焊時(shí)引線(xiàn)與基板焊盤(pán)的結合度不高，從而發(fā)生虛焊等失效現象的出現，可以采用BBOS鍵合方式在引線(xiàn)末端種下一顆保護球進(jìn)行加固，不過(guò)鍵合第二焊點(diǎn)時(shí)會(huì )出現線(xiàn)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(huì )受到影響。目前主流的自動(dòng)金線(xiàn)球焊鍵合機均有預植金球功能，即使在表面狀態(tài)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(jìn)行球焊，拱絲至預植金球上，進(jìn)行月牙鍵合，由于預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(guò)程可以解決BBOS過(guò)程的鍵合不粘或短線(xiàn)尾異常^[24]。

此外，還有其它打線(xiàn)方式如BSOS（multiple stitch）和Multi-ball，Multi-ball一般應用在細長(cháng)的焊盤(pán)。

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

表6 金引線(xiàn)中最大允許電流

Tab.6 Maximum allowable current in gold wire

4.2  鋁線(xiàn)鍵合打線(xiàn)形式與特點(diǎn)

鋁線(xiàn)不同于金線(xiàn)，其打線(xiàn)形式比較單一，主要是拋物線(xiàn)形狀的打線(xiàn)形式，可參考圖10。在打線(xiàn)時(shí)，其需要注意以下幾點(diǎn)：線(xiàn)弧弧度過(guò)低會(huì )導致鋁線(xiàn)頸部斷裂；線(xiàn)弧高度要高于支架2倍線(xiàn)徑以上、低于塑封膠最高點(diǎn)；焊線(xiàn)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(xiàn)而言，鋁線(xiàn)有粗細之分，細鋁線(xiàn)線(xiàn)徑一般小于4mil，而粗鋁線(xiàn)線(xiàn)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(zhù)環(huán)境溫度的變化，其間的熱應力會(huì )越來(lái)越強烈，器件封裝體內熱量也會(huì )逐漸積累，以TO硅基芯片的器件為例，硅的熱膨脹系數是2.6×10-6 K-1，當采用大其將近十倍的鋁線(xiàn)鍵合時(shí)，鍵合焊點(diǎn)與引線(xiàn)會(huì )在溫度循環(huán)中將出現失效的風(fēng)險，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(huà)會(huì )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(xiàn)的載流能力，鋁帶鍵合工藝應運而生，其可以看作多條鋁線(xiàn)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(xiàn)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(diǎn)是不能大角度彎曲^[25]。

圖15 鋁線(xiàn)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(xiàn)打線(xiàn)方式常常根據芯片電流大小、工作時(shí)產(chǎn)生熱量大小等等來(lái)確定焊點(diǎn)個(gè)數、焊線(xiàn)條數，從而存在不同打線(xiàn)方式。當芯片較大、電極較小時(shí)采用球焊可能會(huì )接觸芯片導致短路，而芯片最多焊接線(xiàn)數會(huì )由于機器入線(xiàn)口大小限制數量；同時(shí)需要根據器件電壓、功率、電流、芯片電極大小選用不同線(xiàn)徑、材質(zhì)的焊接線(xiàn)，如15mil鋁線(xiàn)可以流過(guò)25A電流，超過(guò)額定電流則會(huì )熔斷。表7列舉了不同直徑鋁線(xiàn)的載流能力。以下是打線(xiàn)要求：

表7 在鋁引線(xiàn)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(xiàn)鍵合中一般采用的是30°引線(xiàn)孔喂料，在一些深腔封裝中容易造成引線(xiàn)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 )適當調節引線(xiàn)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(wèn)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(pán)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?？墒?，采用反向鍵合技術(shù)有增加引線(xiàn)塌陷和芯片邊沿引線(xiàn)短路的可能性。因此，當我們對任何封裝使用反向鍵合技術(shù)時(shí)，必須給操作者專(zhuān)門(mén)的指令。

圖16 反向鍵合示意圖
Fig.16 Schematic diagrams of 5 different nozzles

經(jīng)過(guò)實(shí)際打樣，我們發(fā)現如果將楔形鍵合中芯片焊盤(pán)當作第一焊點(diǎn)，引腳作為第二焊點(diǎn)，劈刀會(huì )在第二焊點(diǎn)結束后對引線(xiàn)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(xiàn)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）

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