线键合（WireBonding）

线键合是一种使用细金属线，利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。在理想控制条件下，引线和基板间会发生电子共享或原子的相互扩散，从而使两种金属间实现原子量级上的键合。

图1

在IC封装中，芯片和引线框架（基板）的连接为电源和信号的分配提供了电路连接。有三种方式实现内部连接∶倒装焊（Flip Chip Bonding）、载带自动焊（TAB 一Tape Automated Bonding）和引线键合（Wire Bonding）。虽然倒装焊的应用增长很快，但是目前90%以上的连接方式仍是引线键合。这个主要是基于成本的考虑。虽然倒装焊能大幅度提升封装的性能，但是过于昂贵的成本使得倒装焊仅仅用于一些高端的产品上。事实上对于一般产品的性能要求，用引线键合已经能够达到。

图2

焊线的目的是将晶粒上的接点以极细的金线(18~50μm)连接到引线架上的内引脚。从而将集成电路晶粒的电路信号传输到外界。当引线架从弹匣内传送至定位后，应用电子影 像处理技术来确定晶粒上各个接点以及每一接点所对应的内引脚上接点的位置，然后完成焊线的动作，焊线示意图如图三所示。焊线时，以晶粒上的接点为第一焊点，内引脚上的接点为第二焊点，焊线焊点如（图3a）所示。
首先将金线的端点烧结成小球，而后将小球压焊在第一焊点上(此称为第一焊，First Bond), 如(图3b) 所示。接着依照设计好的路径拉 金线，最后将金线压焊在第二焊点上(此称为第二焊，Second Bond)，如（图3c）所示。同时拉断第二焊点与钢嘴间的金线，完成一条金线线的焊线动作。接着便又结成小球开始下一条金线的焊线动作。


图3

引线键合工程是引线架上的芯片与引线架之间用金线连接的工程。为了使芯片能与外界传送及接收信号，就必须在芯片的接触电极与引线架的引脚之间，一个一个对应地用键合线连接起来，这个过程称为引线键合。

引线键合的主要材料

键合用的引线对焊接的质量有很大的影响，尤其对器件的可靠性和稳定性影响更大。理想引线材料具有以下特点：
1.能与半导体材料形成低电阻欧姆接触。
2.化学性能稳定，不会形成有害的金属间化合物。
3.与半导体材料接合力强。
4.可塑性好，容易实现键合。
5.弹性小，在键合过程中能保持一定的几何形状。

引线键合的焊线材料

金线和铝线是使用最普遍的焊线材料。金性能稳定，做出来的产品良率高，铝虽然便宜，但不稳定，良率低。几种主要的焊线对比如下：
1.金线：使用最广泛，传导效率最好.
2.铝线：多用在功率型组件的封装。
3.铜线：由于金价飞涨，近年来大多数封装厂积极开发铜线制程以降低成本。铜线对目前国内的部分封装厂来说，在中低端产品上还是比较经济的，但是需加保护气体，刚性强。
4.银线：特殊组件所使用，在封装工艺中不使用纯银线，常采用银的合金线，其性能较铜线好，价格比金线要低，也需要用保护气体，对于中高端封装来说不失为一个好选择。银线的优势如下：

• 一是银对可见光的反射率高达90%，居金属之冠，在LED应用中有增光效果。
• 二是银对热的反射或排除也居金属之冠，可降低芯片温度，延长LED寿命。
• 三是银线的耐电流性大于金和铜四是银线比金线好管理（无形损耗降低），银变现不易五是银线比铜线好储放（铜线需密封，且储存期短，银线不需密封，储存期可达6~12个月）。
  

在目前的集成电路封装中，金线键合仍然占大部分，铝线键合也只是占了较少一部分，铝线键合封装只占总封装的 5%，而铜线键合大概也只有 1%。另外，引线架提供封装组件电、热传导的途径，也是所有封装材料中需求量最大的。引线架材料有镍铁合金、复合或披覆金属、铜合金三大类。

引线键合作用

焊接时还要用到一种很重要的结构，叫作微管，即毛细管，如图 2-8 所示，是引线键合机上金属线最后穿过的位置。金属线通过微管与芯片或焊盘上相应的位置进行接触，并完成键合作用。微管的尖端表面的性质对于引线键合很重要，其表面主要分为 GM 和P型两种。

• GM型：表面粗糙，在焊接时，可以更好地传递超声波能量，提高焊接的效果，但是容易附着空气中的污染物，又影响焊接，降低使用寿命。
• P型：表面光滑，不易附着灰尘和异物，对于超声波的传递效果不是很好。
  

引线键合的方式与特点

1.热压焊(Thermocompression Bonding，T/C)的工艺过程是在一定温度下，施加-定压力，劈刀带着引线与焊区接触并达到原子间距，从而产生原子间作用力，达到键合的目的。

• 温度：高于200C。
• 压力：0.5~1.5N/点。
• 强度(拽扯脱点的拉力大小)：0.05~009N。
  

2.超声焊(Ultrasonic Bonding)的工艺过程是刀在超声波的作用下，在振动的同时去除了焊区表面的氧化层，并与煤区达到原子间距，产生原子间作用。从而达到键合目的。

• 温度：室温。
• 压力：小于0.5N/点。
• 强度：0.07N。
  

3.热声焊是超声波热压焊接方式 (Thermosonic & Ultrasonic Bonding，U/S&T/S)，热声焊原理如图4所示，即在一定压力、超声波和温度共同作用一定时间后，将金球压接在芯片的铝盘焊接表面《金丝球焊)。

图4

热声焊的意义

1.借助超声波的能量，可以使芯片和劈刀的加热温度降低。金丝热压焊芯片温度为330~350℃，劈刀温度为165℃。热声焊：芯片温度为125~300℃，劈刀温度为125~165℃。
2.由于温度降低，可以减少金、铝间金属化合物的产生，从而提高键合强度，降低接触电阻。
3.可键合不能耐300℃以上高温的器件。
4.键合压力、超声功率可以降低一些。
5.有残余钝化层或有轻微氧化的铝压点也能键合。
6.工艺过程在于劈刀在加热与超声波的共同作用下，去除焊区表面的氧化层，达到键合的目的。

• 温度：小于200℃。
• 压力：0.5N/点。
• 强度∶0.09~0.1N。
• 注意：如温度过高，芯片会变形，易形成氧化层；超声焊和热声焊的焊接强度比热压焊强一些。