引線鍵合是指在半導體器件封裝過程中,實現芯片(或其他器件)與基板或框架互連的一種方法。作為最早的芯片封裝技術,引線鍵合因其靈活和易于使用的特點得到了大規模應用。引線鍵合工藝是先將直徑較小的金屬線(一般是直徑為25μm 的金線)連接到芯片的金屬焊盤(一般是鋁焊盤)上,再將金屬線的另一端連接到基板或框架上從而形成互連。該工藝利用調節溫度、壓力、超聲波能量和時間參數,實現芯片與基板或框架間的電氣互連、芯片散熱和芯片間的信息互通。引線鍵合屬于固相鍵合中的一種,其鍵合 原理是引線與芯片焊盤間發生電子的跨區遷移、共享及不同原子的相互擴散,使金屬實現原子量級上的鍵合,從而實現穩定可靠的連接。
按外加能量的不同,引線鍵合可分為超聲鍵合、熱壓鍵合和熱超聲鍵合;按劈刀類型的不同,引線鍵合可分為楔形鍵合和球形鍵合。目前,電子封裝行業使用較多的是超聲球形鍵合技術,配合使用的線材多為金線、銅線,因為金線具有高抗拉強度、高導電性、高可靠性和強抗氧化性。此外,鋁線因為特殊的氧化性能導致不易成球,因此鋁線和鋁帶多用于楔形鍵合。電子封裝行業中應用引線鍵合的封裝形式有 TSSOP、 QFN 、DFN、 BGA 以及3D封裝等。
引線鍵合工藝流程如下圖
線拉力試驗(Pull Test)和球剪切試驗(Shear Test)通常被用于測量、評估鍵合強度.試驗可分為破壞性試驗和非破壞性試驗兩種,其試驗方法和標準一般采用的是美國軍工標準(MIL-STD-883 Method 2011.9)。高溫存儲試驗(HTST)、熱沖擊和熱循環試驗(TS&TCT)、濕氣相關的可靠性試驗 (PCTHAST)和電遷移試驗(ET) 主要用于評價引線鍵合封裝的可靠性,其試驗條件和方法一般采用JEDEC 的相關標準。
早期引線鍵合使用的主要線材為金線,金線材成本較高,且金線鍵合界面金屬間化合物 (Intermetallic Corapound, IMC)生長速率快,易于生成白斑。影響鍵合的可靠性。為順應封裝技術逐漸向高密度和細間距的發展趨勢,其他高導熱和高導電性能的金屬線材(主要為銅線和銀線)被逐漸使用在引線鍵合中。金、銅、銀的熱導率分別為 320W/(m ?K)、400W/(m ?K)、430W/(m ?K),其電阻率分別為 2.20Ω ?m、1.72Ω ?m、1.63Ω ?m。由于銅的易氧化性和銀的易電遷移性,使得鍍鈀銅線和銀合金線成為封裝行業中使用較多的鍵合線材。與線材相對應的芯片焊盤材料有鋁焊盤、金焊盤,以及更適合銅線鍵合的鎳鈀金焊盤等。
金線一般采用99.99%的純金,直徑為 15~50μm,具有優良的 HAST 可靠性能,多用于有高可靠性要求的軍工和航空航天電子器件。
銅線采用 99.99%的純銅,直徑一般為 18~50μm。鍍鈿銅線直徑一般為 18~30μm,內部芯材采用99. 99%的純銅,外部為鍍鈀層(厚度為 50~100nm)。因鍍鈀銅線的 HAST 可靠性優于銅線,銅線多用于框架類封裝,而鍍鈀銅線則多用于基板類封裝。
銀合金線的直徑一般為 16~75μm,分為低銀合金線(銀含量為 88%)、中銀合金線(銀含量為 95%)和高銀合金線(銀含量為 98%),多應用于 LED 封裝和基板類封裝,但其基板類封裝的 HAST 可靠性低于鍍鈀銅線,且高銀線材的可靠性低于中銀線材。
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原文標題:引線鍵合工藝,焊綫製程, Wire Bonding, Process
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