带你了解引线键合(WB)—将芯片装配到PCB上的方法

在制造晶圆结束前的每一个工序中，每个晶圆上连接着500至1200个芯片（也称为晶粒）。为了将这些芯片应用到需要的地方，晶圆需要被切割成单独的芯片，然后与外部连接并通电。在这一过程中，连接电路的方法被称为引线键合（Wire Bonding）。实际上，使用金属引线连接电路的方法已经是非常传统的方法，目前已经越来越少被采用。近来，加装芯片键合（Flip Chip Bonding）和硅穿孔（Through Silicon Via，简称TSV）正逐渐成为新的主流技术。加装芯片键合也称为凸点键合（Bump Bonding），采用锡球小凸点进行键合。而硅穿孔则是一种更先进的方法。

为了更好地理解键合的基本概念，在本文中，我们将重点讨论引线键合，这一传统的方法。

1、键合法的发展历程

图1. 键合法的发展史：引线键合→加装芯片键合→硅穿孔

为了确保半导体芯片在各个领域正常运行，必须从外部提供偏压（Bias voltage）和输入信号。因此，需要将金属引线与芯片焊盘连接起来。早期，人们通过焊接的方法将金属引线连接到芯片焊盘上。

自1965年至今，这种连接方法经历了多种不同的发展方式，从引线键合（Wire Bonding）到加装芯片键合（Flip Chip Bonding），再到TSV技术。

引线键合是利用金属引线进行连接的方法；加装芯片键合则是利用凸点（bump）代替金属引线，增加了连接的柔韧性；而TSV作为一种全新的方法，通过数百个孔将上下芯片与印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）连接在一起。

2、键合法的比较

引线键合(Wire Bonding)和加装芯片键合(Flip Chip Bonding)

图2. 引线键合VS加装芯片键合的工艺

芯片键合作为切割工艺的后续步骤，是将芯片固定到基板（substrate）上的一项工艺。引线键合则作为芯片键合的下一步工序，是确保电信号传输的关键步骤。另一种类似于引线键合的连接方法是加装芯片键合，这两种方法都使用直径非常小的金属物体来连接芯片中的焊盘和PCB上的焊盘（在引线键合中仅限于引线框架）。

与引线键合相比，使用金属引线连接的方法存在以下几个缺点：金属引线较长且直径较小，导致电信号传输延迟较长；由于金属引线的高阻抗，信号容易失真。此外，由于焊颈容易断开且结合强度相对较弱，拉伸强度相对较差。相反，虽然加装芯片键合方法中操作连接器小锡球有一定复杂性，但在连接可靠性和电信号传输等方面具有许多优势。

3、引线键合（Wire Bonding）是什么？

图3. 引线键合的结构（载体为印刷电路板（PCB）时）

引线键合是一种将金属引线连接到焊盘上的技术，用于连接内部和外部芯片的方法。在结构上，金属引线在芯片的焊盘（一次键合）和载体的焊盘（二次键合）之间起到桥梁的作用。在早期，引线框架（lead frame）被用作载体基板，但随着技术的不断进步，如今越来越多地使用PCB作为基板。连接两个独立焊盘的引线键合涉及引线的材料、键合条件、键合位置（不仅连接芯片和基板，还可能连接两个芯片或两个基板）等方面的显著差异。

4、引线键合法

图4. 引线键合法

金属引线连接到焊盘的方法主要有三种：热压法（thermo-compression method）、超声波法（Ultrasonic）和热超声波法（Thermosonic）。

热压法是通过加热和压缩将焊盘和毛细管劈刀（类似于毛细管状的移动金属引线工具）连接在一起的方法。首先将芯片焊盘预热至约200℃，然后加热毛细管劈刀尖端使其成为球状，最后通过施加压力将金属引线连接到焊盘上。

超声波法是在楔形劈刀（类似于毛细管劈刀但不形成球状）上施加超声波，实现金属引线与焊盘连接的方法。这种方法的优点在于工艺和材料成本较低，但由于超声波取代了加热和加压的过程，因此键合的拉伸强度相对较弱。

热超声波法结合了热压法和超声波法的优点，是半导体工艺中最常用的方法。通过同时施加热、压力和超声波于毛细管劈刀，使其在最佳状态下进行连接。

在半导体的后端工艺中，键合的强度比成本更为重要，因此尽管热超声波法的成本较高，但金丝热超声波法是最常采用的键合方法。金鉴实验室作为一家提供检测、鉴定、认证和研发服务的第三方检测与分析机构，致力于为汽车产业链提供创新的品质解决方案，提升中国制造的质量水平。金鉴实验室能够为集成电路、PCB/PCBA、电子辅料等提供全面的性能检测、可靠性验证和失效分析服务，并根据不同产品测试需求制定合适的测试方案，提供一站式解决方案。

5、键合金属引线的材质：金/铝/铜

金属引线的材质选择是根据综合考虑各种焊接参数，并结合最适当的方法来确定的。这些参数涉及多个方面，包括半导体产品类型、封装种类、焊盘大小、金属引线直径、焊接方法，以及金属引线的抗拉强度和伸长率等与信赖度相关的指标。常见的金属引线材质包括金（Au）、铝（Al）和铜（Cu）。金丝通常用于半导体封装中。

金丝具有良好的导电性、化学稳定性和抗腐蚀能力。相比之下，早期常用的铝丝容易受腐蚀。金丝硬度较高，在一次键合中可以形成良好的球状，并在二次键合中形成适当的半圆形引线环（Loop）。

铝丝比金丝直径更大，间距也更大。即使使用高纯度金丝形成引线环也不易断裂，但纯铝丝容易断裂，因此通常会掺入硅或镁等合金元素。铝丝主要用于高温封装（如Hermetic）或无法使用金丝的超声波法等场合。

铜丝价格便宜，但硬度太高。硬度过高会导致难以形成球状，且在形成引线环时存在限制。在球键合过程中需要施加压力到芯片焊盘上，硬度过高会导致焊盘底部薄膜出现裂纹，甚至引发焊盘层的“剥落”现象。尽管如此，由于芯片金属布线通常采用铜制，因此越来越多地选择铜丝。为克服铜丝的缺点，通常会掺入少量其他材料形成合金后使用。

6、金铝丝材质不同，引线键合法也不同

在引线键合过程中，毛细管劈刀可以说是最关键的工具。通常，毛细管劈刀用于金丝键合，而楔形键合则使用铝丝。毛细管劈刀通过形成球状来实现键合，而楔形键合则无需形成球状。楔形劈刀在形状上与晶圆末端的毛细管劈刀不同，并且连接和切断引线的方法也不同。

金丝通常采用“热超声波-毛细管劈刀-球”引线键合方法，而铝丝则采用铝丝楔形键合法（Aluminum Wedge Wire Bonding），即“超声波-楔形键合”的方法。由于铝丝的抗拉强度较低，只能在特殊情况下使用，因此在90%以上的情况下会选择“金丝-热超声波法”。

然而，热超声波法也存在缺点，即球颈容易变脆。因此，需要非常谨慎地管理热影响区（HAZ，即在金属引线材质被毛细管高温稍微熔化后，在凝固过程中再结晶的区域）。

7、利用金丝的球键合

图5. 一次键合：在芯片焊盘上的球引线键合

最常用的“热超声波金丝球键合法”（Thermosonic Gold Ball Wire Bonding）通常分为两个键合阶段。

在一次键合过程中，金丝穿过毛细管劈刀中央的小孔，金丝末端被加热至融化形成金丝球（Gold Ball）。随后，释放夹持金属丝的夹钳，施加热、压力和超声波振动。当毛细管劈刀接触焊盘时，形成的金丝球会粘合到加热的焊盘上。完成一次球键合后，将毛细管劈刀提升到比预先测量的环路高度略高的位置，并移动到二次键合的焊盘上，从而形成一个引线环（Loop）。

图6. 二次键合：PCB焊盘上的针脚式键合

在二次键合过程中，施加热、压力和超声波振动到毛细管劈刀，将第二次形成的金丝球碾压在PCB焊盘上，完成针脚式键合（stitch bonding）。针脚式键合后，若引线连续断裂，进行拉尾线（Tail Bonding），形成一尾线（wire tail）。随后，收紧毛细管劈刀的夹钳（夹住引线）、断开金属引线，结束二次金丝球键合。

今天，我们主要讨论了引线键合法与材料之间的相互作用，以及引线键合的具体方法。尽管本文仅简要介绍了可靠性和引线键合中可能出现的问题，但需要铭记，在引线键合过程中，发现问题并找出解决方案的重要性。理解各种因素之间的权衡关系至关重要。

芯片键合的原理与优势是什么？

芯片键合的原理与优势。

今天我们来了解一下芯片键合的原理与优势。首先让我们来了解一下芯片键合究竟是什么？芯片键合顾名思义就是将多颗芯片通过特殊的工艺手段紧密连接在一起，从而实现电子元器件的整合，在计算机、手机、汽车等众多领域都有着广泛的应用。

芯片键合的原理是什么？其实很简单，就是利用高温和超高压将金丝或银丝等特殊材料加热并焊接在芯片的两端，使两者紧密结合。这个过程中需要用到专用的键合工具，如键合机、键合枪等。

芯片键合有着许多显著的优势。

·首先芯片键合能有效降低芯片之间的阻抗，提高信号传输速度，使得电子设备更加稳定高效。

·其次芯片键合可以使芯片体积更小，从而降低设备的整体重量和厚度。

·此外芯片键合还能提高芯片的耐高温、耐低温性能、抗腐蚀性等。

总之芯片键合技术在现代科技领域扮演着越来越重要的角色，它的原理与优势为我们现代科技的发展奠定了坚实的基础。

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