了解半导体封装中引线键合工艺的基础知识

了解半导体封装中引线键合工艺的基础知识

半导体封装对电子制造的进步做出了巨大贡献。它从制造半导体芯片开始，到最终封装产品结束。半导体封装被称为第一级互连，而印刷电路板和最终外壳分别被称为第二级和第三级。半导体芯片应受到保护，以免受到环境应力和静电放电损坏。

半导体封装的主要工艺之一是引线键合工艺。在本文中，我们将深入讨论引线键合工艺、不同的技术以及经常遇到的挑战。

引线键合工艺中使用的组件和材料

• 引线键合工艺是将导电金属线焊接在一起以形成电连接的过程。它已从手动的引线焊接机操作大大改进为具有惊人生产率的高度自动化机器。让我们分解一下引线焊接工艺中涉及的不同组件和材料。

• 键合线：引线接合工艺中使用的引线材料通常为铜、金和铝。每种材料类型在材料特性、成本和适用性方面都有各自的优缺点。例如，众所周知，金具有出色的耐腐蚀性和良好的导热性，但与其他类型的材料相比，它价格昂贵。接合线的纯度是根据所需的机械特性、可制造性和成本来选择的。

• 毛细管：毛细管是引线接合工艺中用于将引线接合到接合垫的陶瓷工具。毛细管夹在引线接合机的传感器中。每种毛细管都有必须监控的工具寿命。还必须定期清洁，清洁间隔根据毛细管的触地次数确定。最先进的引线接合机还配有自动抑制系统，可在工具即将达到使用寿命时预先提醒用户。接合质量受毛细管清洁度和尺寸的影响很大。

• 焊盘：焊盘是芯片或裸片上的导电开口，用于在芯片和基板或引线框架之间建立连接。半导体裸片经过钝化工艺作为最后的制造步骤，但是，焊盘必须保持裸露，以便能够进行引线键合工艺。焊盘正面的金属化层可以是铝或铝铜层或其他金属。焊盘必须保持清洁，以实现引线和焊盘的良 好键合。

• 引线键合机：现在使用的引线接合机是自动化的，具有先进的功能，尤其适用于要求严格的汽车应用。这些先进的功能包括接合前和接合后检查、强大的模式识别系统和更好的放置精度。引线接合机由将产品放置到位的工件支架、包含毛细管组件和摄像系统的接合头以及料盒或卷轴支架组成。

有哪些不同的引线键合工艺类型？

超声波：在超声波引线键合工艺中，使用低频或高频超声波功率擦洗焊盘表面上的引线以形成键合。铝是用于超声波键合的典型引线材料，通常以楔形键合的形式出现。引线被夹在楔形毛细管后面。将引线焊接到键合焊盘中，夹具打开以释放引线并形成环路，然后落到第二个键合位置。一旦第二次键合完成，引线夹具就会闭合并形成尾部。

• 热压：热压键合利用热量和压力来创造完美的引线键合工艺。对于金线，键合温度范围为 300 至 400 摄氏度。需要使用氢气炬在导线尖端形成球。键合工具将球压下，在热量和压力的作用下，球变形以建立键合。由于高尔夫球在极高温度下具有抗氧化性，因此金是这种引线键合技术使用的材料。

• 热超声波：热超声键合使用超声波和热压技术的组合来形成可靠的键合。这种键合类型通常适用于金线。在第一次键合期间，产生电火焰以产生参数控制的自由空气球 (FAB)。然后将球压入键合焊盘，在焊盘上施加擦洗运动并施加超声波能量。影响键合质量的主要参数包括键合温度、键合力、超声波功率和键合时间。第一次键合后，导线升起形成一个环路，然后继续在基板焊盘或引线框架柱上进行第二次键合。

引线键合工艺中面临哪些挑战？

尽管引线键合已在行业中应用了很长时间，但在制造过程中仍不断遇到挑战。由于半导体封装设计的复杂性以及引线尺寸的减小，需要在产品设计和开发过程中尽早解决缺陷和风险。以下是引线键合过程中遇到的常见挑战：

• 键合放置精度： 引线键合工艺的目标是在键合焊盘内形成居中且尺寸正确的楔形或球形键合。在产品设置期间测量尺寸和放置精度，以确保引线键合工艺的质量。对于细间距设备，毛细管需要具有较小的孔和直径，以确保键合放置精度。

• 扫线：较小的导线更容易发生导线偏移，而封装过程中模具流动并触发软导线移动时，导线偏移或摇摆现象可能会加剧。由于金线材料性质较软，导线偏移或摇摆现象在金线上更为明显。还应通过工程评估检查模具封装过程中的响应。

• 污染：为了实现可靠的键合导线，必须确保表面清洁、无卤素。焊盘表面的氧化和腐蚀会干扰键合过程，并可能导致导线无法粘在焊盘上。氯和氟等污染物对腐蚀敏感，可能导致应用过程中早期失效。有时，在进行导线键合过程之前会进行等离子清洗，以提高导线与焊盘金属层的粘附性。

• 焊盘开裂或凹陷：铜线在导电性、成本和可靠性方面具有一定优势；然而，与其他材料相比，铜的硬度也更高。如果优化研究不足，铜线更容易出现焊盘开裂和凹坑。应使用凹坑测试检查键合印象。

引线键合过程中的质量验证步骤

要知道是否引线键合成功完成该工艺后，封装必须经过几项基于行业公认标准的质量验证测试。以下是用于检查引线键合质量的公认测试：

• 拉力测试：拉力测试是一种常用的确定键合强度的方法。拉力测试可以按照标准程序对导线跨度和针脚进行。这种类型的测试通常使用具有力可控钩的半 自动拉力测试设备进行。导线键合的拉力强度必须在可接受的范围内才能通过。“断裂模式”定义为导线断裂的部分或位置，也有特定的可接受标准。

• 剪切试验：了解键合强度和质量的另一种方法是通过剪切试验。在剪切试验中，允许使用工具沿与键合表面平行的方向剪切键合。剪切强度也必须达到导线的允许范围。

• 凹坑测试：需要进行凹坑测试来检查引线接合工艺后是否存在焊盘裂纹。焊盘裂纹至关重要，因为它会干扰底层金属化并导致电气问题。将芯片浸入溶液中以溶解引线并检查焊盘上是否存在裂纹。

• 视力检查：目视检查有两种方式：手动和自动。在手动检查中，可能会对单元进行抽样或 100% 检查，以了解导线是否根据目视标准进行粘合。随着制造业的最新进步，还正在执行自动光学检测 (AOI) 以提高准确性并避免与处理相关的缺陷。目视检查期间的一些常见缺陷是导线短路、不粘和导线翘起。

• X 射线检测：导线偏移是一种缺陷，有时仅在模具封装过程后才会显现。一种非破坏性的方式来了解成型后是否发生了导线偏移是通过 X 射线检查。使用 X 射线，可以检索导线的图像并评估其是否符合质量要求。可以通过 X 射线测试检测到的其他导线缺陷包括线迹翘起和断裂、导线短路和导线缺失。