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(xiàn)失效的一環(huán)，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(shù)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

接上一篇....

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(nèi)引腳上，使芯片與外界形成信號互聯(lián)。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(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?shù)酵獠恳_。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(jié)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(jié)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(jié)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(yōu)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(jié)構(gòu)；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(xiàn)缺陷，影響生產(chǎn)效率；當?shù)诙€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(qū)域短路^[21]。

BBOS與BSOB的區(qū)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(zhì)量。這種鍵合方式的優(yōu)點是鍵合工序簡單，生產(chǎn)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(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度的情況導致金線球焊時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球進行加固，不過鍵合第二焊點時會出現(xiàn)線尾短等其他失效現(xiàn)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(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(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(jù)芯片電流大小來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

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(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，其間的熱應力會越來越強烈，器件封裝體內(nèi)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(shù)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(huán)中將出現(xiàn)失效的風險，從而造成器件的失效。材料之間性質(zhì)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(jù)芯片電流大小、工作時產(chǎn)生熱量大小等等來確定焊點個數(shù)、焊線條數(shù)，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(shù)會由于機器入線口大小限制數(shù)量；同時需要根據(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，我們會適當調(diào)節(jié)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(xiàn)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?？墒牵捎梅聪蜴I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，當我們對任何封裝使用反向鍵合技術(shù)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(jīng)過實際打樣，我們發(fā)現(xiàn)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(jié)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(shù)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(xù)）

參考文獻

[1] CSIA.國務院關于印發(fā)新時期促進集成電路產(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.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,2019.

[5] 李錕.集成電路銅引線鍵合強度試驗方法標準研究[J].信息技術(shù)與標準化,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.引線鍵合的失效機理及分析[J].微處理機,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,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)專用設備,2016,45(08):5-8.

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

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

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

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

[17] 呂磊.引線鍵合工藝介紹及質(zhì)量檢驗[J].電子工業(yè)專用設備,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,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,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新型引線鍵合設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學,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: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,2017.