第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù) 引線(xiàn)鍵合課件

第二講：引線(xiàn)鍵合貼片：DieBonding引線(xiàn)鍵合：WireBonding第二講：引線(xiàn)鍵合貼片：DieBonding1貼片貼片工藝：將芯片通過(guò)焊料或膠貼裝到金屬引線(xiàn)框架上使芯片與引線(xiàn)框架固連的過(guò)程。貼片貼片工藝：將芯片通過(guò)焊料或膠貼裝到金屬引線(xiàn)框架上使芯片與2表列舉常用貼片用膠的性能；名

稱(chēng)優(yōu)

點(diǎn)使

用酚酰樹(shù)脂類(lèi)[Phenolics]

連接強(qiáng)度非常高大多數(shù)用于結(jié)構(gòu)連接，固化溫度較高，有一定腐蝕性.聚胺脂類(lèi)[Polyurethanes返工容易不適用高于120℃，較高放氣率,易分解。-

聚酰胺樹(shù)脂類(lèi)[Polyamides]返工容易較高的吸濕性及放氣性當(dāng)組件暴露在高濕氣氛中，電絕緣性變化聚酰亞胺類(lèi)[Polyimides]溫度穩(wěn)定性非常高，溫度穩(wěn)定性非常高固化溫度高，需溶劑作為載體。中-低連接強(qiáng)度-

有機(jī)硅樹(shù)脂類(lèi)[Silicons]返工容易，高純凈低放氣性溫度膨脹系數(shù)高，環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)[Epoxies]采用加熱和機(jī)械方法容易進(jìn)行返工，添加60-70%

導(dǎo)電或?qū)嵛⒎?，工藝?jiǎn)單，-

腐蝕性浸析性和放氣性，與粘結(jié)劑固化溫度有關(guān)低放氣性?

氫基-丙稀酸樹(shù)脂類(lèi)[Cyanocrylates]501/502膠固化速快</=[10sec]，連接強(qiáng)度非常高。-

在潮濕或溫度上升

150℃]，連接強(qiáng)度降低。Epotek公司膠表列舉常用貼片用膠的性能；優(yōu)

點(diǎn)使

用酚酰樹(shù)脂類(lèi)[Ph3第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件4在眾多種類(lèi)膠中，最為普遍使用的是環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)，其劑型可分為單組分和雙組分兩種，環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)劑的優(yōu)點(diǎn)有；

·

較低的固化溫度，單組分固化溫度約在150℃以下，不會(huì)造成對(duì)芯片的電性能和可靠性損壞。

·

雙組分粘結(jié)劑的印后待置時(shí)間可達(dá)8-24小時(shí)。

·

發(fā)現(xiàn)芯片故障，加熱到環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的軟化溫度，即可方便更換。

·

連接點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度高，能承受各種沖擊，震動(dòng)等環(huán)境條件。

·

涂布工藝簡(jiǎn)便，可采用印刷工藝，滴涂工藝。

·

環(huán)氧粘結(jié)芯片合格率高達(dá)100%。在眾多種類(lèi)膠中，最為普遍使用的是環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)，其劑型可分為單組5Au-Sn共晶貼片工藝焊料熔點(diǎn)（℃）焊接溫度（℃）焊接時(shí)間（min）摩擦功能保護(hù)氣280290-310<1需要N2/N2+H2Au-Si共晶貼片工藝焊料熔點(diǎn)(℃)

焊接溫度(℃)焊接時(shí)間（min）摩擦功能保護(hù)氣363380-450<1需要N2/N2+H2Au-Sn共晶貼片工藝焊料熔點(diǎn)（℃）焊接溫度（℃）6引線(xiàn)鍵合是利用金屬細(xì)絲將芯片的I/O端和與其相對(duì)應(yīng)的封裝引腳和基板上布線(xiàn)焊區(qū)互連的一個(gè)固相焊接過(guò)程。引線(xiàn)鍵合引線(xiàn)鍵合是利用金屬細(xì)絲將芯片的I/O端和與其相對(duì)應(yīng)的封裝引腳7金屬絲材料：Au線(xiàn)、Al線(xiàn)、Cu線(xiàn)；金屬絲直徑：數(shù)十微米至數(shù)百微米；焊接方式：按焊接能量分：熱壓焊、超聲焊和熱聲焊三種。超聲波：60～120kHz熱壓焊的鍵合溫度：280～380oC，鍵合時(shí)間：1s超聲焊的鍵合時(shí)間：25ms，超聲波振動(dòng)頻率：60～120kHz鍵合溫度：70～80oC熱聲焊150～200oC，鍵合時(shí)間：5~20ms按鍵合工具的形狀分：球形鍵合和楔形鍵合。金屬絲材料：Au線(xiàn)、Al線(xiàn)、Cu線(xiàn)；8第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件9第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件10第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件11150μm150μm12第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件13引線(xiàn)鍵合材料的機(jī)械性能：斷裂強(qiáng)度和延伸率引線(xiàn)鍵合材料的機(jī)械性能：斷裂強(qiáng)度和延伸率14為了改善鍵合絲的性能如減小硬度，提高延展性并凈化表面，需作退火處理。退火處理：Au絲在高純N2或真空中退火，溫度500oC，Al絲在H2中退火，溫度400oC恒溫15～20min然后自然冷卻。為了改善鍵合絲的性能如減小硬度，提高延展性并凈化表面，需作退15可靠性問(wèn)題：引線(xiàn)彎曲疲勞、鍵合點(diǎn)剪切疲勞、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、腐蝕、振動(dòng)疲勞、焊盤(pán)開(kāi)裂等。柯肯達(dá)爾效應(yīng)（kirkendalleffect）是指兩種擴(kuò)散速率不同的金屬在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)形成缺陷?？驴线_(dá)爾空洞，裂縫?？煽啃詥?wèn)題：16紫斑：主要是指引線(xiàn)鍵合中Au-Al焊接界面上所產(chǎn)生的Au-Al化合物，其成分為AuAl2，它的存在會(huì)嚴(yán)重影響到引線(xiàn)鍵合的質(zhì)量和可靠性，300oC，紫色金屬間化合物AuAl2白斑：Au2Al紫斑：主要是指引線(xiàn)鍵合中Au-Al焊接界面上所產(chǎn)生的Au-A17試驗(yàn)條件引線(xiàn)成分和直徑結(jié)構(gòu)最小鍵合強(qiáng)度N密封前密封后AAl18μmAu18μm引線(xiàn)0.0150.020.0100.015AAl25μmAu25μm引線(xiàn)0.0250.030.0150.025AAl32μmAu32μm引線(xiàn)0.030.040.020.03AAl33μmAu33μm引線(xiàn)0.030.040.020.03AAl38μmAu38μm引線(xiàn)0.040.050.0250.04AAl50μmAu50μm引線(xiàn)0.0540.0750.040.054AAl76μmAu76μm引線(xiàn)0.120.150.080.12B各種規(guī)格倒裝片0.05×鍵合數(shù)鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）

試驗(yàn)條件引線(xiàn)成分和直徑結(jié)構(gòu)最小鍵合強(qiáng)度N密封前密封后AAl18鋁和金引線(xiàn)直徑（μm）拉力（gf）鋁金181.21.6252.02.4322.53.2332.53.2383.04.0504.56.0769.512.0非破壞性鍵合拉力試驗(yàn)

引線(xiàn)直徑(μm)鉤子直徑(引線(xiàn)直徑的倍數(shù))d≤50.8 最少2.0倍50.8<d≤127最少1.5倍d>127最少1.0倍，

鋁和金引線(xiàn)直徑（μm）拉力（gf）鋁金181.21.625219第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件20鋁絲：室溫下高可靠的單金屬鍵合，但不耐腐蝕，不能形成一致的無(wú)氣孔的球。只適合楔形鍵合。金絲：耐腐蝕，但成本高和鍵合溫度達(dá)200oC，適合球形和楔形鍵合。劈刀材料：氧化鋁和碳化鎢粉末燒結(jié)工藝制成鋁絲：室溫下高可靠的單金屬鍵合，但不耐腐蝕，不能形成一致的無(wú)21銅引線(xiàn)鍵合單晶銅鍵合線(xiàn)代替鍵合金絲的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：

1）單晶粒：相對(duì)目前的普通銅材（多晶粒），而單晶銅絲只有一個(gè)晶粒，內(nèi)部無(wú)晶界。而單晶銅桿有致密的定向凝固組織，消除了橫向晶界，很少有縮孔、氣孔等鑄造缺陷；且結(jié)晶方向拉絲方向相同，能承受更大的塑性變形能力。此外，單晶銅絲沒(méi)有阻礙位錯(cuò)滑移的晶界，變形、冷作、硬化回復(fù)快，所以是拉制鍵合引線(xiàn)（￠0.03-0.016mm）的理想材料。

2）高純度：目前，在我國(guó)的單晶銅絲（原材料）可以做到99.999%（5N）或99.9999%（6N）的純度;

銅引線(xiàn)鍵合單晶銅鍵合線(xiàn)代替鍵合金絲的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：

22

3）機(jī)械性能好：與同純度的金絲相比具有良好的拉伸、剪切強(qiáng)度和延展性。單晶銅絲因其優(yōu)異的機(jī)械電氣性能和加工性能，可滿(mǎn)足封裝新技術(shù)工藝，將其加工至￠0.03-0.015mm的單晶銅超細(xì)絲代替金絲，從而使引線(xiàn)鍵合的間距更小、更穩(wěn)定。

4）導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好：?jiǎn)尉с~絲的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率比金絲提高20%，因此在和金絲徑相同的條件下可以承載更大的電流，鍵合金絲直徑小于0.018mm時(shí)，其阻抗或電阻特性很難滿(mǎn)足封裝要求。

5）低成本：?jiǎn)尉с~鍵合線(xiàn)成本只有鍵合金絲的1/3-1/10，可節(jié)約鍵合封裝材料成本90%；比重是鍵合金絲的1/2，1噸單晶銅絲可替代2噸金絲；當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)的一些顯著變化直接影響到了IC互連技術(shù)，其中成本因素也是推動(dòng)互連技術(shù)發(fā)展的主要因素。目前金絲鍵合長(zhǎng)度超過(guò)5mm，引線(xiàn)數(shù)達(dá)到400以上，其封裝成本超過(guò)0.2美元。而采用單晶銅絲鍵合不但能降低器件制造成本，提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于1密耳（0.001英寸）焊線(xiàn)，成本最高可降低75%，2密耳可達(dá)90%。

3）機(jī)械性能好：與同純度的金絲相比具有良好的拉伸、剪切強(qiáng)度23鍵合技術(shù)的發(fā)展：1.鍵合間距進(jìn)一步減小，到40微米2.鍵合弧度低于150微米3.高可靠的Cu鍵合4.快速的鍵合周期和低溫（<170oC）鍵合技術(shù)5.高精度的攝像和位置反饋系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)6.多旋轉(zhuǎn)頭的鍵合設(shè)備。鍵合技術(shù)的發(fā)展：24第二講：引線(xiàn)鍵合貼片：DieBonding引線(xiàn)鍵合：WireBonding第二講：引線(xiàn)鍵合貼片：DieBonding25貼片貼片工藝：將芯片通過(guò)焊料或膠貼裝到金屬引線(xiàn)框架上使芯片與引線(xiàn)框架固連的過(guò)程。貼片貼片工藝：將芯片通過(guò)焊料或膠貼裝到金屬引線(xiàn)框架上使芯片與26表列舉常用貼片用膠的性能；名

稱(chēng)優(yōu)

點(diǎn)使

用酚酰樹(shù)脂類(lèi)[Phenolics]

連接強(qiáng)度非常高大多數(shù)用于結(jié)構(gòu)連接，固化溫度較高，有一定腐蝕性.聚胺脂類(lèi)[Polyurethanes返工容易不適用高于120℃，較高放氣率,易分解。-

聚酰胺樹(shù)脂類(lèi)[Polyamides]返工容易較高的吸濕性及放氣性當(dāng)組件暴露在高濕氣氛中，電絕緣性變化聚酰亞胺類(lèi)[Polyimides]溫度穩(wěn)定性非常高，溫度穩(wěn)定性非常高固化溫度高，需溶劑作為載體。中-低連接強(qiáng)度-

有機(jī)硅樹(shù)脂類(lèi)[Silicons]返工容易，高純凈低放氣性溫度膨脹系數(shù)高，環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)[Epoxies]采用加熱和機(jī)械方法容易進(jìn)行返工，添加60-70%

導(dǎo)電或?qū)嵛⒎郏に嚭?jiǎn)單，-

腐蝕性浸析性和放氣性，與粘結(jié)劑固化溫度有關(guān)低放氣性?

氫基-丙稀酸樹(shù)脂類(lèi)[Cyanocrylates]501/502膠固化速快</=[10sec]，連接強(qiáng)度非常高。-

在潮濕或溫度上升

150℃]，連接強(qiáng)度降低。Epotek公司膠表列舉常用貼片用膠的性能；優(yōu)

點(diǎn)使

用酚酰樹(shù)脂類(lèi)[Ph27第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件28在眾多種類(lèi)膠中，最為普遍使用的是環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)，其劑型可分為單組分和雙組分兩種，環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)劑的優(yōu)點(diǎn)有；

·

較低的固化溫度，單組分固化溫度約在150℃以下，不會(huì)造成對(duì)芯片的電性能和可靠性損壞。

·

雙組分粘結(jié)劑的印后待置時(shí)間可達(dá)8-24小時(shí)。

·

發(fā)現(xiàn)芯片故障，加熱到環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的軟化溫度，即可方便更換。

·

連接點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度高，能承受各種沖擊，震動(dòng)等環(huán)境條件。

·

涂布工藝簡(jiǎn)便，可采用印刷工藝，滴涂工藝。

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環(huán)氧粘結(jié)芯片合格率高達(dá)100%。在眾多種類(lèi)膠中，最為普遍使用的是環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)，其劑型可分為單組29Au-Sn共晶貼片工藝焊料熔點(diǎn)（℃）焊接溫度（℃）焊接時(shí)間（min）摩擦功能保護(hù)氣280290-310<1需要N2/N2+H2Au-Si共晶貼片工藝焊料熔點(diǎn)(℃)

焊接溫度(℃)焊接時(shí)間（min）摩擦功能保護(hù)氣363380-450<1需要N2/N2+H2Au-Sn共晶貼片工藝焊料熔點(diǎn)（℃）焊接溫度（℃）30引線(xiàn)鍵合是利用金屬細(xì)絲將芯片的I/O端和與其相對(duì)應(yīng)的封裝引腳和基板上布線(xiàn)焊區(qū)互連的一個(gè)固相焊接過(guò)程。引線(xiàn)鍵合引線(xiàn)鍵合是利用金屬細(xì)絲將芯片的I/O端和與其相對(duì)應(yīng)的封裝引腳31金屬絲材料：Au線(xiàn)、Al線(xiàn)、Cu線(xiàn)；金屬絲直徑：數(shù)十微米至數(shù)百微米；焊接方式：按焊接能量分：熱壓焊、超聲焊和熱聲焊三種。超聲波：60～120kHz熱壓焊的鍵合溫度：280～380oC，鍵合時(shí)間：1s超聲焊的鍵合時(shí)間：25ms，超聲波振動(dòng)頻率：60～120kHz鍵合溫度：70～80oC熱聲焊150～200oC，鍵合時(shí)間：5~20ms按鍵合工具的形狀分：球形鍵合和楔形鍵合。金屬絲材料：Au線(xiàn)、Al線(xiàn)、Cu線(xiàn)；32第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件33第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件34第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件35150μm150μm36第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件37引線(xiàn)鍵合材料的機(jī)械性能：斷裂強(qiáng)度和延伸率引線(xiàn)鍵合材料的機(jī)械性能：斷裂強(qiáng)度和延伸率38為了改善鍵合絲的性能如減小硬度，提高延展性并凈化表面，需作退火處理。退火處理：Au絲在高純N2或真空中退火，溫度500oC，Al絲在H2中退火，溫度400oC恒溫15～20min然后自然冷卻。為了改善鍵合絲的性能如減小硬度，提高延展性并凈化表面，需作退39可靠性問(wèn)題：引線(xiàn)彎曲疲勞、鍵合點(diǎn)剪切疲勞、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、腐蝕、振動(dòng)疲勞、焊盤(pán)開(kāi)裂等?？驴线_(dá)爾效應(yīng)（kirkendalleffect）是指兩種擴(kuò)散速率不同的金屬在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)形成缺陷?？驴线_(dá)爾空洞，裂縫。可靠性問(wèn)題：40紫斑：主要是指引線(xiàn)鍵合中Au-Al焊接界面上所產(chǎn)生的Au-Al化合物，其成分為AuAl2，它的存在會(huì)嚴(yán)重影響到引線(xiàn)鍵合的質(zhì)量和可靠性，300oC，紫色金屬間化合物AuAl2白斑：Au2Al紫斑：主要是指引線(xiàn)鍵合中Au-Al焊接界面上所產(chǎn)生的Au-A41試驗(yàn)條件引線(xiàn)成分和直徑結(jié)構(gòu)最小鍵合強(qiáng)度N密封前密封后AAl18μmAu18μm引線(xiàn)0.0150.020.0100.015AAl25μmAu25μm引線(xiàn)0.0250.030.0150.025AAl32μmAu32μm引線(xiàn)0.030.040.020.03AAl33μmAu33μm引線(xiàn)0.030.040.020.03AAl38μmAu38μm引線(xiàn)0.040.050.0250.04AAl50μmAu50μm引線(xiàn)0.0540.0750.040.054AAl76μmAu76μm引線(xiàn)0.120.150.080.12B各種規(guī)格倒裝片0.05×鍵合數(shù)鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）

試驗(yàn)條件引線(xiàn)成分和直徑結(jié)構(gòu)最小鍵合強(qiáng)度N密封前密封后AAl42鋁和金引線(xiàn)直徑（μm）拉力（gf）鋁金181.21.6252.02.4322.53.2332.53.2383.04.0504.56.0769.512.0非破壞性鍵合拉力試驗(yàn)

引線(xiàn)直徑(μm)鉤子直徑(引線(xiàn)直徑的倍數(shù))d≤50.8 最少2.0倍50.8<d≤127最少1.5倍d>127最少1.0倍，

鋁和金引線(xiàn)直徑（μm）拉力（gf）鋁金181.21.625243第二講微系統(tǒng)封裝技術(shù)引線(xiàn)鍵合課件44鋁絲：室溫下高可靠的單金屬鍵合，但不耐腐蝕，不能形成一致的無(wú)氣孔的球。只適合楔形鍵合。金絲：耐腐蝕，但成本高和鍵合溫度達(dá)200oC，適合球形和楔形鍵合。劈刀材料：氧化鋁和碳化鎢粉末燒結(jié)工藝制成鋁絲：室溫下高可靠的單金屬鍵合，但不耐腐蝕，不能形成一致的無(wú)45銅引線(xiàn)鍵合單晶銅鍵合線(xiàn)代替鍵合金絲的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：

1）單晶粒：相對(duì)目前的普通銅材（多晶粒），而單晶銅絲只有一個(gè)晶粒，內(nèi)部無(wú)晶界。而單晶銅桿有致密的定向凝固組織，消除了橫向晶界，很少有縮孔、氣孔等鑄造缺陷；且結(jié)晶方向拉絲方向相同，能承受更大的塑性變形能力。此