摘 要： 半导体的性能和可靠性与器件的封装形式亲近相关，而引线键合工艺无疑是其中主要且容易泛起失效的一环，其失效约莫占总失效的1/3。因此，对引线键合工艺的深入明确对器件封装至关主要。本文周全深入地叙述了引线键合工艺，包括引线键合的多种工艺要领、引线键合的手艺原理与特点、引线键合的打线方法、引线键合的现实应用以及引线键合常见的失效形式等。本文对引线键合的综合性叙述事情对器件封装的设计和制造有着主要的启引作用。
要害词： 封装；键合机理；键合工艺；键合质料；打线形式；键合失效
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 引线键合的打线方法
4.1 金线键合主要打线形式
金线键合是为了将芯片上的电极用极细的金线毗连到引线框架上的内引脚上，使芯片与外界形成信号互联。通常先在金线上烧球，将其键合到第一焊点后追随瓷嘴牵引出线弧，将另一端粘合到第二个焊点（一样平常为月牙形/鱼尾形），如图13。
金线键适时，将金线尾部穿入劈刀，使用高压打火杆将金线尾部熔化形成金球。由于金球的尺寸需要控制在金线线径的2倍左右，因此金球的巨细很是主要，这主要取决于打火杆和线尾的长度。合适的压力、温度、超声能量和键适时间也都会影响焊接质量。当金球和铝垫芯片在外貌形成金属化合物，完成第一焊点后，金线被劈刀拉到响应的引脚上，在相同条件下，形成第二焊点。在牵引历程中，金线形成线弧，通过金线的毗连，可以将芯片上的电路信号传输到外部引脚。在金线拉力试验中，断点在A或E点时，无论拉力有多大均视为不良，断点在B、C、D点时拉力值须在6g（含）以上。
图13 金线键合示意图
Fig.13 Schematic diagram of gold wire bonding
图14主要形貌可金线键合的几种主要打线形式，主要有：通俗正打、BSOB正打、BSOB反打以及BBOS。
通俗正打：从第一焊点最先打线至第二焊点，截线尾竣事（无；で颍。
BSOB正打：先在第二焊点（基板上）上种一个金球（；で颍，再从第一焊点（电极上）打线至第二焊点的金球上，截线尾后竣事（先种；で蚝蟠蛳撸。
BSOB反打：先在第二焊点（电极上）上种一个金球（；で颍，再从第一焊点（基板上）打线至第二焊点的金球上，截线尾后竣事（先种；で蚝蟠蛳撸。
BBOS正打：先从第一焊点上打线至第二焊点，截线尾后，在线尾位置再种一颗金球为；で颍ㄏ却蛳吆笾直；で颍。
图14 金线键合主要打线形式：(a) 通俗正打、(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
这几种打线方法中BSOB适用于MCM多芯片 ？楹投训芯片的应用，其优点是线弧较低，以是适合封装体较薄的小型封装；在键合之前在芯片上预植；で，可以有用地；ず概滔路降牡缏凡皇芩鸹，特殊是关于铜线等高硬度的引线键合。其弱点主要包括键合工序重大，整体效率偏低，不适用于简朴的封装结构；在莳植；で虿⒃诒；で蛏闲纬傻诙焊点的历程中，容易泛起缺陷，影响生产效率；当第二个焊点粘接在；で蛏鲜，切割线尾时易留下线尾残留，导致芯片有用区域短路[21]。
BBOS与BSOB的区别在于；で蛟谙呶仓，目的主要是为了牢靠焊点，增添键合强度，改善第二焊点的质量。这种键合方法的优点是键合工序简朴，生产效率高，或许是BSOB的两倍左右，适用于低价高效的小型封装器件；将第二焊点键合在支架上，不会影响到芯片的功效，减小线尾。而弱点则是在第一焊点拉线弧会导致封装体较厚，因此不适合小型封装；第一焊点与芯片电极直接接触，会损坏芯片表层、造成种种失效，包括弹坑等；第二焊点与支架直接接触，极易爆发失效征象[23]。一样平常而言，厚膜基板键合，一样平常接纳BBOS或者BSOB的键合方法。键合历程中为了避免厚膜基板保存污染、外貌粗糙等难以包管键合强度的情形导致金线球焊时引线与基板焊盘的连系度不高，从而爆发虚焊等失效征象的泛起，可以接纳BBOS键合方法在引线最后种下一颗；で蚓傩屑庸，不过键合第二焊点时会泛起线尾短等其他失效征象，纵然接纳BBOS的；で，键合效率依旧会受到影响。现在主流的自动金线球焊键合机均有预植金球功效，纵然在外貌状态很差的厚膜基板键合区上，金球也能与之形成可靠的毗连，因此就可以接纳BSOB的方法，在芯片上举行球焊，拱丝至预植金球上，举行月牙键合，由于预植的金球给月牙键合提供了外貌状态优异且一致的外貌，使月牙和金球形成可靠的毗连，此历程可以解决BBOS历程的键合不粘或短线尾异常[24]。
别的，尚有其它打线方法如BSOS（multiple stitch）和Multi-ball，Multi-ball一样平常应用在细长的焊盘。
表6枚举了差别直径的金线的载流能力，键适时凭证芯片电流巨细来确定选择金线直径和焊线的数目。
表6 金引线中最大允许电流
Tab.6 Maximum allowable current in gold wire
引线直径（mil） | 1根引线的最大可允许值 （A） |
1.00 | 1.25 |
1.25 | 1.60 |
1.50 | 1.90 |
1.80 | 2.25 |
2.00 | 2.50 |
4.2 铝线键合打线形式与特点
铝线差别于金线，其打线形式较量简单，主要是抛物线形状的打线形式，可参考图10。在打线时，其需要注重以下几点：线弧弧度过低会导致铝线颈部断裂；线弧高度要高于支架2倍线径以上、低于塑封胶最高点；焊线与芯片边沿不可接触，不然可能造成失效。铝价钱低廉，相比于金线而言，铝线有粗细之分，细铝线线径一样平常小于4mil，而粗铝线线径一样平常在4mil与20mil之间[25]。
众所周知，当两种热膨胀系数相差较大的物体连系在一起后，随着情形温度的转变，其间的热应力会越来越强烈，器件封装体内热量也会逐渐积累，以TO硅基芯片的器件为例，硅的热膨胀系数是2.6×10-6 K-1，当接纳大其快要十倍的铝线键适时，键合焊点与引线会在温度循环中将泛起失效的危害，从而造成器件的失效。质料之间性子的差别会造成热量群集，不实时散热的话会严重影响器件的可靠性。为了降低失效的概率，提高键合引线的载流能力，铝带键合工艺应运而生，其可以看作多条铝线横向排列组合，在增大外貌积、提高载流能力与散热能力的同时，加速了焊线的效率，如图15所示。别的，它阻止了高频操作引起的趋肤效应，并且可以有用地降低封装的厚度。铝带粘接普遍应用于导电性好、寄生电感小、电流大的事情条件下，但其弱点是不可大角度弯曲[25]。
图15 铝线键合（a）和铝带键合（b）示意图[23]
Fig.15 Schematic diagrams of aluminum wire bonding (a) and aluminum ribbon bonding (b)
铝线打线方法经常凭证芯片电流巨细、事情时爆发热量巨细等等来确定焊点个数、焊线条数，从而保存差别打线方法。当芯片较大、电极较小时接纳球焊可能会接触芯片导致短路，而芯片最多焊接线数会由于机械入线口巨细限制数目；同时需要凭证器件电压、功率、电流、芯片电极巨细选用差别线径、材质的焊接线，如15mil铝线可以流过25A电流，凌驾额定电流则会熔断。表7枚举了差别直径铝线的载流能力。以下是打线要求：
表7 在铝引线中最大允许电流
Tab.7 Mean photoelectric parameters and standard deviation corresponding to the amount of paste
引线尺寸（mil） | 1根引线的最大可允许值 （A） |
1.25 | 0.7 |
5.00 | 5.4 |
7.00 | 8.9 |
10.00 | 15.2 |
15.00 | 27.9 |
20.00 | 42.9 |
另外，在反向键合中，由于在超声铝线键合中一样平常接纳的是30°引线孔喂料，在一些深腔封装中容易造成引线与封装的碰撞与摩擦，留下擦痕甚至缺口，埋下了器件失效的隐患，因此，我们会适当调理引线孔的角度以降低失效的可能。当我们在深腔封装中泛起键合问题时，一种解决要领是使用反向键合，我们将引脚上的第二键合点与芯片焊盘上的第一键合点举行顺序交流，也就是反向键合，如图16 ？墒，接纳反向键合手艺有增添引线塌陷和芯片边沿引线短路的可能性。因此，当我们对任何封装使用反向键合手艺时，必需给操作者专门的指令。
图16 反向键合示意图
Fig.16 Schematic diagrams of 5 different nozzles
经由现实打样，我们发明若是将楔形键合中芯片焊盘看成第一焊点，引脚作为第二焊点，劈刀会在第二焊点竣事后对引线举行切断以举行下一次键合，这时会在支架上留下一道较深的切痕，如图17所示。以是，楔形键合在接纳反向键合手艺时要思量芯片是否会在引线切断的时间被损坏。
图17 引脚处保存切痕
Fig.17 Schematic diagrams of 5 different nozzles
（未完待续）
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