集成电路封装中的引线键合技术

1、学员作业课程名称：集成电路封装与测试作业内容：集成电路封装中的引线键合技术任课教师：张江元学员姓名:蒋涛学员学号:511412130所在班级:集成电路工程教师评分:集成电路封装中的引线键合技术【摘要】在回顾现冇的引线键合技术之后，文章主要探讨了集成电路封装中引 线健合技术的发展趋势。球形焊接工艺比楔形焊接工艺具有更多的优势，因而 获得了广泛使用。传统的前向拱丝越来越难以满足目前封装的高密度要求，反 向拱丝能满足非常低的弧高的要求。前向拱丝和反向拱丝工艺相结合，能适应 复杂的多排引线健合和多芯片封装结构的要求。并具体以球栅阵列封装为例， 介绍了检测手段。不断发展的引线健合技术使得引线健合工艺能继

2、续满足封装 日益发展的要求，为封装继续提供低成木解决方案。【主要内容】1引线键合工艺1.1楔形焊接工艺流程12圆形焊接工艺流程1.3主要工艺参数介绍1.3.1键合温度 1.3.2键合时间 2引线键合材料2.1焊线工具2.2引线材料3引线键合线弧技术31前向拱丝32反向拱丝4.键合质量的判定标准4.1电测试4.2边界扫描检测4.3 x射线测试5.小结参考文献1 引线键合工艺在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、载带自动焊和引线键合。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。这个主耍 是基于成木的考

3、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耍求， 用引线键合已经能够达到，没有必耍使用倒装焊引起额外的成本增加。对丁封 装厂商来说，使用倒装焊意味着目前传统的引线键合、模塑设备的淘汰，需耍 引入新的倒装焊设备，这个投资是非常巨犬的。传统的封装尺寸比较犬，因而 引线键合所使用的线的宜径比较犬，线弧也比较高，一般在150m250m之间。 为了实现在更小的封装体积内提高封装密度，实现更多的功能，就需要控制引 线键合的线弧。线弧高度是引线键合的一个重要的指标，线弧和引线键合参 数、引线性能、引线框架的设计都有关系。引线键合就是

4、用非常细小的线把芯 片上焊盘和引线框架（或者基板）连接起来的过程。有两种引线键合技术：球形 焊接和楔形焊接。对这两种引线键合技术，基本的步骤包括：形成第一焊点（通 常在芯片表面），形成线弧，最后形成第二焊点（通常在引线框架/基板上）。两 种键合的不同之处在于：球形焊接中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球， 然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点；而楔形焊接则是将引线在压力和超 声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。步骤1步骤2步骤3移到焊盘上方形成第一焊点升到弧髙线终止形成第二焊点传统的楔形焊接仅仅能在线的平行方向形成焊点。旋转的楔形劈刀能使楔 压焊线机适合不同角度的焊线，在完成引线操作后移动到第二焊

5、点之前劈刀旋 转到程序规定的角度。在使用金线的情况下，稳定的楔形焊接能实现角度小于 35。的引线焊接。图1楔形焊接过程因为球形焊接能从第一焊点形成不同角度的线弧，不要求转动轴。焊球头在x, y, z三个方向进行移动。楔形焊线机的劈刀进行的旋转运动需要马达和额 外的部件。移动的部件比典型的球形焊线机的引线键合头大得多，这样移动速 度就慢得多。目前球形焊接的速度已经是最快的楔形焊线机的两倍以上。引线 键合要求高速度、低成本和灵活的拱丝能力，因此目前球形焊接是最普遍采用 的引线键合方式。楔形焊接在一些特殊的工艺流程应用下是一个很好的技术补 充。1.2球形焊接工艺流程基本的球形焊接工艺包括以下步骤:第

6、一点焊接（通常在芯片表面）。线弧成型。 第二点焊接（通常在引线框架/基板的表面）。球形焊接的循环如图2所示。步骤1移到第一悍点位置步骤2球形焊接步骤3 升到线弧的 顶端位置步骤4移到第二焊点位置轨迹控制 弧的形状步骤8步骤6升高到控制电火花，形成新的金厲球步骤7升高到efo的高度线尾的离度步骤5第二焊点焊接图2球形焊接过程在球形焊接循环的开始，焊接工具（劈刀）移动到第一点焊接的位置。第一 点焊接通过热和超声能量实现在芯片焊盘表面焊接一个圆形的金属球。之后劈 刀升高到线弧的顶端位置并移动形成需耍的线弧形式。第二点焊接包括针脚式 键合和拉尾线。第二点焊接之后进行拉尾线是为了形成一尾线，为下一个键合

7、 循环金属球的形成做准备。焊接工具（劈刀）升高到合适的高度以控制尾线长 度，这吋尾端断裂，然后劈刀上升到形成球的高度。形成球的过程是通过离子 化空气间隙的“屯子火焰熄灭"过程实现的，形成的金属球就是所谓自rti空气 球。因为在第一焊点到第二焊点间的拱丝没有方向的限制，这使得球形焊接拱 丝菲常灵活。另外球形焊接也能实现非常好的精度控制。对于精确的焊点，焊 线机需要能够进行识别和维持精确性，调整视觉系统的光学屮心和设备屮心的 误差。在球形焊接屮仅仅需进行x和y方向的补偿，相对于楔形焊接x, y,z方向 都要进行控制更具有操作上的优势。表1球形焊接和楔形焊接技术参数戰方武焊线工具引线炸盘速

8、度球形輟热压焊，热超声畀毛髓劈刀金乱金10s( t/s)楔形焊接热超耕，耐接楔形靭金，铝务金4线/51.3主要工艺参数介绍1.3.1合温度wb工艺对温度有较高的控制要求。过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响 键合质量，并冃由丁热应力应变的影响，图像监测精度和器件的可靠性也随之 下降。在实际工艺中，温控系统都会添加预热区、冷却区，提高控制的稳定 性。键合温度指的是外部提供的温度，工艺中史注意实际温度的变化对键合质 量的影响，因此需耍安装传感器监控瞬态温度。一般使用金一鎳热电祸，但有 时会对工艺条件产生限制。1.3.2键合时间通常的键合时间都在几毫秒，并口键合点不同，键合时间也不一样。一般来 说，

9、键合时间越长，引线球吸收的能量越多，键合点的宜径就越大，界而强度 增加而颈部强度降低。但是过长的时间，会使键合点尺寸过大，超出焊盘边界 并且导致空洞生成概率增大，因此合适的键合时间显得尤为重要。2. 引线键合材料在引线键合过程中使用的材料主要包括引线和焊线工具。21焊线工具引线焊接所使用的焊线工具有两种，楔形焊接所使用的工具叫做楔形劈 刀，通常是磚碳或者钛碳合金，在劈刀尾部有一个呈一定角度的进线孔。球形 焊线所使用的工具我们称为毛细管劈刀，它是一种轴形对称的带有垂真方向孔 的陶瓷工具。劈刀的尺寸影响引线键合质量和生产的稳定性，因此劈刀的选择 是非常垂耍的。22引线材料大部分使用在球形焊接上的引

10、线是99.99%纯度的金线，这个通常指4n“金 线。为了满足一些特殊的应用要求，例如高强度，有时候也使用合金线（99.99% 或者更低的纯度）。研究表明某一些搀杂物（金线里的其他物质）能降低金和铝的 界面层扩散生长的速度。为了提高封装系统的可靠性，有时候考虑使用3ns和2ns金线。金线主要分为两种:掺杂金线和合金化金线。掺杂金线比4ns金线具有 更好的机械性能;合金化金线具有更好的强度，但是会损失一定的电性能。 需 要特别考虑的是焊线工艺的热影响区域的长度，这个和efo时产生的热量导致 的金属再结晶过程有关。这个haz通常会使线变得脆弱。通常具有长haz的金 线会使用在高的线弧屮。一些低线弧应

11、用要求使用高强度和低haz的金线。低 haz的金线能提高拱丝能力，能满足更低线弧的要求。铜线也能作为一种焊线材料使用，这主要是由于铜线的成本比金线低得 多，而且在引线歪斜方面也有不错的表现，因此受到很大的关注，并取得了很 大的发展。但是需要对焊线设备进行一些改进。改进措施主要包括形成一种气 体坏境來防止铜在空气中形成金属球的时候被氧化。另外，铜线焊接的主要问 题在于焊接能力，铜比金和铝的硕度大，这导致了在键合点容易发生裂痕。金 和铜键合的时候都是在一定温度（通常150°c- 240°c）条件下进行热超声焊（即 t/s）o楔形焊接能在升高温度的情况下进行金线焊接，也能在室温下

12、进行铝线焊 接。大部分在楔形焊接中使用的小直径铝线成份中含有1% si,这样能增强铝线 的强度。铝线焊接对于一些场合的应用比较有吸引力，因为它在室温下可以进 行焊接，并且没有可能导致可靠性问题的金铝扩散层。引线直径的大小对焊点的可靠性和线弧有着很密切的关系。口前生产上主 要使用的线径在20um30umz间。一般来说，线径越小，弧高和间距理论上也 就能控制得越小。但是线径小了，模塑过程中引线对模塑材料流程的抗冲击性 能会有所下降，容易造成引线歪斜，严重时会导致短路。3. 引线键合线弧技术有两种基木的拱丝类型:前向拱丝和反向拱丝。前向拱丝工艺打第一焊点在 芯片焊盘上，然后在引线框架上进行第二焊点。

13、反向拱丝与前者不同，先在芯 片焊盘上打一个凸点，在形成凸点z后，在基板上进行球焊，然后在凸点上进 行针脚式键合。低线弧的要求促进了反向拱丝的发展，虽然它比止常的前向拱 丝效率低一些。口前通常的线弧方式都是前向拱丝方式，但是对于一些高级的封装形式， 前向拱丝方式不能满足越来越高的要求，为此就需要使用反向拱丝方式。下而 我们具体分析两种拱丝方式的特性和区别。31前向拱丝前向拱丝需要在球形键合位置有较高的线弧高度以保证与下面的引线之间足 够的间距。传统的前向拱丝键合工艺由于操作时间最短而受到欢迎，但是它并 不适用于超低线弧的情况。金线haz区域在球形焊点之上，如果拱丝过低，线 弧容易在球形键合的颈部

14、断裂，会造成金线拉拔强度过低，甚至导致封装可靠 性不良，因此一般的正向拱丝线弧的高度比较高（100 wm）。为了使传统的拱丝能满足低线弧的要求，开发出了一些新的拱丝技术，通 过调整线弧形状的办法來避免反向动作可以起到一定的作用，如假压皱f2和 f2（前折拱丝）压皱。另外可以通过加强反向动作，弯曲第一次键合位置的顶部 为最终的线弧來形成一个高度较低的起点，这样可以制作超低线弧。但是形成 这种线弧需要劈刀进行额外的动作，降低了引线键合的效率。虽然这种线弧可 以消除颈部断裂的可能性，但代价是牺牲了第一次键合点的抗拉强度。32反向拱丝另一种线弧成型的选择是反向键合或者针脚支撑键合（ssb）线弧，这属于

15、反 向拱丝技术。由于工艺过程最慢，反向拱丝线弧在量产小很少被采用，另外， 将引线反向键合到芯片表面上也会产生引线与芯片边缘和上层引线z间的间距 问题。为了解决与芯片边缘的间距问题，可以采用改进凸点的方法，即首先在 芯片键合焊盘上制作出凸点来提高线弧的高度。线弧技术的发展，尤其是超低线弧的实现，使得堆叠式芯片和多排引线键 合的设计和应用成为可能。前向拱丝和反向拱丝技术的结合使用，能设计出多 种堆叠式芯片的结构，满足高性能封装的要求。4. 键合质量的判定标准键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。通常使用键合拉力测试（bpt）、 键合剪切力测试（bst。影响bpt结果的i大i素除了工艺参数以外，还有

16、引线参数 （材质、直径、强度和刚度）、吊钩位置、弧线高度等。i大i此除了确认bpt的拉 力值外，还需确认引线断裂的位置。主要有四个位置：（1）第一键合点的界而；（2）第一键合点的颈部；（3）第二键合点处；（4）引线轮廓中间。bst是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力。剪切 力测试可能会因为测试环境不同或人为原因出现偏差。此外，键合标准对于键 合点的形状，如第一键合点的直径、厚度等，也有一定要求，这些将直接影响 器件的可靠性。以球栅阵列封装（bga）为例来具体说明检测焊后安装质量。曲于这类器件 焊装后，检测人员不可能见到封装材料下面的部分，从而使用目检焊接质量成 为空谈。其它如

17、板截芯片（oob）及倒装芯片安装等新技术也面临着同样的问 题。而且与bga器件类似，qfp器件的rf屏蔽也挡住了视线，使目检者看不 见全部焊点。为满足用户对町靠性的要求，必须解决不可见焊点的检测问题。 光学与激光系统的检测能力与目检相似，因为它们同样需要视线來检测。即使 使用qfp自动检测系统aoi （automated optical inspection） t!i不能判定焊接质 量，原因是无法看到焊接点。为解决这些问题，必须寻求其它检测办法。目前 的生产检测技术有电测试、边界扫描及x射线检测。4.1电测试传统的电测试是查找开路与短路缺陷的主要方法。英唯一目的是在板的预 置点进行实际的电连接

18、，这样便可以提供使信号流入测试板、数据流入ate 的接口。如果印制电路板冇足够的空间设定测试点，系统也可检查器件的功 能。测试仪器一般由微机控制，检测每块pcb时，需要相应的针床和软件。对 于不同的测试功能，该仪器可捉供相应工作单元来进行检测。例如，测试二极 管、三极管直流电平单元；测试电容、电感时用交流单元；而测试低数值电 容、电感及高阻值电阻时用高频信号单元。但在封装帑度与不可见焊点数量都 大量增加时，寻找线路节点则变得昂贵、不可靠。4.2边界扫描检测边界扫描技术解决了一些与复杂器件及封装密度有关的问题。采用边界扫 描技术，毎一个ic器件设计有一系列寄存器，将功能线路与检测线路分离 开，并记录通过器件的检测数据。测试通路检查ic器件上每一个焊接点的开 路、短路情况。基于边界扫描设计的检测端口，通过边缘连接器给每个焊点提 供一条通路，从而免除全节点查找的需要。尽管边界扫描提供了比电测试更广 的不可见焊点检测范围，但也必须为扫描检测专门设计卬制电路板与ic器 件。电测试与边界扫描检测主要用以测试电性能，却不能较好地检测焊接质 量。为提高并保证生产过程中的质量，必须寻找其它