什么是引線鍵合？引線鍵合的演變

半導(dǎo)體制造領(lǐng)域很少有技術(shù)能像引線鍵合那樣經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)。這一過程涉及將半導(dǎo)體器件與其封裝進(jìn)行電連接，自電子工業(yè)誕生以來一直是電子工業(yè)的基石。

與半導(dǎo)體市場中的其他技術(shù)一樣，引線鍵合技術(shù)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，以跟上不斷縮小的架構(gòu)、芯片復(fù)雜性和不斷增加的互連密度的步伐。隨著晶體管尺寸的縮小和芯片變得更加復(fù)雜，對更細(xì)間距的焊線、更可靠的連接以及能夠承受惡劣環(huán)境的材料的需求推動(dòng)了創(chuàng)新。由于成本和性能優(yōu)勢，銅、銅合金和銀等新材料已開始取代傳統(tǒng)金線。

Promex Industries首席執(zhí)行官迪克·奧特 (Dick Otte) 表示：“近幾十年來，引線鍵合技術(shù)的主要進(jìn)步在于支持手機(jī)和高密度電子產(chǎn)品?！?“主要的進(jìn)步包括采用銅線，它的導(dǎo)電性更強(qiáng)一些，但比黃金的成本節(jié)省了很多。這是近年來我在引線鍵合領(lǐng)域看到的最重要的變化?！?/p>

什么是引線鍵合？

引線鍵合是在硅芯片上的 IC 與其封裝之間創(chuàng)建互連的常用方法，其中將細(xì)線從器件上的鍵合焊盤連接到封裝上的相應(yīng)焊盤（即引線）。此連接建立了從芯片內(nèi)部電路到連接到印刷電路板 (PCB) 的外部引腳的電氣路徑。

該過程首先將一根電線放置在細(xì)長焊接工具末端的下方。施加精確的力，將導(dǎo)線推向電極表面，導(dǎo)致接觸點(diǎn)產(chǎn)生初始變形。該能量來自產(chǎn)生 60 kHz 左右機(jī)械振蕩的超聲波裝置。這些振蕩通過焊接工具傳導(dǎo)至熔化區(qū)域，持續(xù)時(shí)間約為 100 毫秒。

超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的摩擦?xí)诮缑嫣幃a(chǎn)生局部加熱，當(dāng)與鍵合工具施加的壓力相結(jié)合時(shí)，會促進(jìn)原子在界面上的擴(kuò)散。當(dāng)線材和基材材料的原子由于機(jī)械變形和摩擦效應(yīng)而緊密接近時(shí)，它們開始形成金屬間化合物。這些化合物通常比母體材料更穩(wěn)定，并確保導(dǎo)線和基材之間的牢固結(jié)合。

引線鍵合有兩種主要類型：球形鍵合和楔形鍵合。球形鍵合是最普遍的，約占所有鍵合的 90%，通常使用金和銅布線的熱超聲鍵合技術(shù)形成。楔形接合通常使用超聲波或熱壓縮技術(shù)創(chuàng)建，更常見于鋁合金和金線，并且經(jīng)常用于特定應(yīng)用。

圖 1：三種引線鍵合技術(shù)的比較。

然而，引線鍵合在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)和復(fù)雜芯片中已經(jīng)失去了動(dòng)力。隨著焊盤數(shù)量和密度的增加，確保電線不會接觸或造成干擾的空間有限。這就是熱壓 (TCP) 鍵合和倒裝芯片封裝技術(shù)等先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)揮作用的地方。這些方法利用焊料或銅凸塊在芯片和基板之間建立直接連接，從而無需長導(dǎo)線互連。因此，它們?yōu)楝F(xiàn)代半導(dǎo)體器件，特別是高頻或高性能應(yīng)用中的半導(dǎo)體器件提供了更緊湊、高效和高性能的解決方案。

“真正推動(dòng)從引線鍵合到倒裝芯片的轉(zhuǎn)變的是對電子產(chǎn)品日益增長的高速要求，”Promex Industries 的高級工藝工程師 Jeff Schaefer 說?！半娋€會產(chǎn)生電感，而電感會導(dǎo)致高速世界的電氣參數(shù)問題?！?/p>

其他人也同意?！爱?dāng)你走向數(shù)百個(gè)，甚至數(shù)千個(gè)互連時(shí)，那么你將開始認(rèn)真考慮采用引線鍵合與轉(zhuǎn)向倒裝芯片是否仍然正確，”布魯克的應(yīng)用程序和產(chǎn)品管理Frank Chen 說?！暗话銇碚f，大多數(shù)公司仍然會在倒裝芯片上使用引線鍵合，除非他們有大量的 I/O 將它們推入陣列格式?！?/p>

引線鍵合的演變

盡管長期以來人們一直預(yù)測引線鍵合將被先進(jìn)封裝所取代，但當(dāng)今 80% 以上的半導(dǎo)體封裝仍然使用引線鍵合進(jìn)行組裝。其經(jīng)過驗(yàn)證的可靠性、成本效益以及成熟的芯片制造工藝（不需要超高互連密度）意味著它也可能在未來幾十年內(nèi)繼續(xù)存在。

根據(jù)Technavio的最新報(bào)告，焊線機(jī)設(shè)備市場預(yù)計(jì)在2022年至2027年期間將以3.3%的復(fù)合年增長率繼續(xù)增長，市場規(guī)模預(yù)計(jì)在此期間增加2.1924億美元。這一增長是由汽車應(yīng)用中電子內(nèi)容的增加和 OSAT 行業(yè)的快速增長（特別是在亞太國家）推動(dòng)的。

金 (Au) 鍵合線幾十年來一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這是有充分理由的。其無與倫比的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性和可靠性使其成為半導(dǎo)體封裝的合理材料。隨著黃金價(jià)格在 2001 年至 2011 年的十年間上漲 478%，這種情況開始發(fā)生變化。制造商開始尋找可行的替代品，這些替代品可以提供更低的成本，但具有相似或更好的導(dǎo)電性。

銅是顯而易見的選擇，因?yàn)樗哂谐杀拘б婧蛢?yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。盡管銅價(jià)同期上漲近 700%，但與每盎司 2,100 美元的黃金相比，其最高價(jià)格為每磅 4.58 美元。此外，銅能夠使用直徑較小的導(dǎo)線傳導(dǎo)與金相同的電流，且不會過熱，這使其極具吸引力。此外，其與鋁的反應(yīng)速率較慢，提高了其可靠性，特別是在長期高溫儲存條件下。

“您需要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量且非常可靠的引線鍵合，影響這一目標(biāo)的因素有很多，”西門子 EDA 的 IC 封裝和 RF 產(chǎn)品線總監(jiān) Per Viklund 說道?！靶枰鶕?jù)電氣和鍵合性能選擇正確的導(dǎo)線材料，并且需要使用正確的金屬鍵合工藝。當(dāng)然，你所追求的是一種永遠(yuǎn)不會自行松動(dòng)的紐帶?！?/p>

汽車電子產(chǎn)品的增長是采用銅進(jìn)行引線鍵合的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。如今的新車可以配備超過一千個(gè) IC，雖然在一些汽車應(yīng)用中仍然使用金，但隨著時(shí)間的推移，銅因其卓越的導(dǎo)熱性和彈性而被證明在惡劣環(huán)境和高溫下更加可靠。

“當(dāng)您使用汽車電源模塊時(shí)，您對引線鍵合或非常高的電流/非常低的電感有特殊要求，”Viklund 補(bǔ)充道。“您可以對這些類型的設(shè)計(jì)采取一些特殊的技巧，但存在一些物理限制，無法添加無限數(shù)量的焊線。這只是不切實(shí)際。”

汽車行業(yè)越來越依賴從發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元到駕駛員輔助系統(tǒng)等各種先進(jìn)電子設(shè)備，因此要求材料能夠在充滿挑戰(zhàn)的條件下始終如一地發(fā)揮作用，缺陷率低于十億分之一，即每十億公里中有一個(gè)缺陷。銅的固有特性，例如高熔點(diǎn)和優(yōu)異的導(dǎo)電性，使其特別適合這些要求。

“傳統(tǒng)上，金線是首選的線材，” Amkor Wirebond BGA 產(chǎn)品副總裁 Prasad Dhond 說道?！八菀资褂?，它是一種更柔軟的材料，但它在汽車可靠性測試過程中出現(xiàn)了一些問題。當(dāng)然，成本也是一個(gè)大問題。”

金在長時(shí)間高溫下的可靠性問題包括在芯片上的導(dǎo)線和鋁焊盤之間的接合處形成柯肯德爾空洞。這些空隙不會出現(xiàn)在銅鋁鍵合中。

然而，銅也面臨著挑戰(zhàn)。雖然銅確實(shí)在成本和導(dǎo)熱性方面具有優(yōu)勢，但其在引線鍵合中的使用帶來的復(fù)雜性需要先進(jìn)的設(shè)備和專業(yè)技術(shù)。一些替代品，例如鍍鈀銅線，盡管硬度和成本比純銅更高，但仍然低于金，但表現(xiàn)出顯著的耐腐蝕性。銅還必須在無氧合成氣體環(huán)境（95% 氮?dú)夂?5% 氫氣）中加工。

“您希望在材料之間建立真正良好、牢固的結(jié)合，”Nordson 半導(dǎo)體產(chǎn)品產(chǎn)品線經(jīng)理 Chris Davis 說道?！暗倾~因腐蝕而聞名，因此不能在其周圍使用其他金屬，否則會發(fā)生電偶腐蝕。用金和鋁，你會得到紫色的牌匾。銅最便宜，金最貴，鋁介于兩者之間，但鋁只能通過特定工藝粘合，并且由于表面有氧化層，粘合起來相當(dāng)棘手?？傆幸恍?quán)衡?！?/p>

汽車驅(qū)動(dòng)變革

直到 2010 年左右，半導(dǎo)體行業(yè)主要在基于引線鍵合的封裝中使用金布線，但當(dāng)金價(jià)飆升時(shí)，該行業(yè)從金布線轉(zhuǎn)向銅布線，從而使芯片制造商能夠降低封裝成本。汽車制造商最初不愿意改用銅，因?yàn)槠渚窒扌?，以及缺乏對惡劣環(huán)境下關(guān)鍵應(yīng)用的銅引線鍵合的長期測試。隨著銅被證明在高溫和高振動(dòng)應(yīng)用中具有更高的可靠性，這種情況已經(jīng)發(fā)生了變化。

“在汽車領(lǐng)域，銅線現(xiàn)在最受歡迎，”Dhond 說?！皬目煽啃缘慕嵌葋砜?，客戶更喜歡它。在過去的 10 年里，出現(xiàn)了向銅的巨大轉(zhuǎn)變，幾乎我們推出的所有汽車新產(chǎn)品都使用銅線?！?/p>

銅的一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)鍵合所需的熱量使其不適合具有脆弱鍵合焊盤或?qū)Ω邷孛舾械男酒?。它的剛度也會給形成一致且可靠的環(huán)路帶來挑戰(zhàn)，特別是在細(xì)間距應(yīng)用中。此外，銅的氧化會導(dǎo)致電氣性能下降和潛在的長期可靠性問題。

對于這些應(yīng)用，銀合金可以提供與金相似的性能，而成本與鍍鈀銅相似。與銅相比，銀具有卓越的導(dǎo)熱性和更低的電阻率，使其成為電力電子器件的理想選擇。其彈性和硬度在金和銅之間取得平衡，簡化了鍵合工藝，其較低的熔點(diǎn)有助于保護(hù)脆弱的鍵合焊盤。與銅相比，銀線鍵合也不易受到腐蝕。

純銀 (Ag) 本質(zhì)上很軟，因此不適合直接用于引線接合應(yīng)用。為了解決這一限制，通常根據(jù)規(guī)格將銀與鈀 (Pd) 和金按不同比例制成合金。銀的高反射率也使其成為 LED 封裝的首選，而最大化光輸出是 LED 封裝的首要考慮因素。

最后，鋁是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引線鍵合材料，其使用時(shí)間幾乎與金一樣長，并且具有獨(dú)特的特性，使其成為各種應(yīng)用的理想選擇。它與芯片上的鋁焊盤兼容，允許在室溫下以低能量水平進(jìn)行鍵合，這有助于防止損壞敏感設(shè)備。

與純銀一樣，純鋁雖然可拉伸，但相對較軟。為了增強(qiáng)其特定應(yīng)用的機(jī)械性能，它通常與硅等元素形成合金，通常含量約為 1%，有時(shí)還與鎂合金。這些鋁合金可生產(chǎn)出尺寸更細(xì)、強(qiáng)度更高的線材。

鋁的高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使其成為功率器件和信號傳輸?shù)氖走x。雖然它通常用于無線電和音頻設(shè)備、電源和恒溫器等低頻應(yīng)用，但其多功能性可擴(kuò)展到廣泛的應(yīng)用。鋁采用楔形接合技術(shù)進(jìn)行接合，這限制了其在極細(xì)間距應(yīng)用中的使用。此外，鋁的易氧化性使其不適合高純度和耐腐蝕性至關(guān)重要的環(huán)境。

“不同的材料面臨著不同的挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)您將一種材料熔合到另一種材料時(shí)，”Viklund 補(bǔ)充道?！?線材能夠可靠地粘合到芯片頂面上的任何材料。問題一直是我們?nèi)绾螌㈦娋€熔接到芯片上，并確保它留在那里。它幾乎是鋁、金、銅和各種合金。這取決于電氣性能和粘合性能，最后取決于成本。你必須在這些之間取得適當(dāng)?shù)钠胶?，否則它不會被你的客戶采用?！?/p>

圖 2：金線、鋁線、銅線和銀線的一些特性

存儲器

存儲器應(yīng)用是引線鍵合技術(shù)變革的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力。隨著 NAND 閃存中多層架構(gòu)的引入，引線鍵合技術(shù)的復(fù)雜性和相關(guān)的測試挑戰(zhàn)都在不斷升級?，F(xiàn)代存儲芯片，尤其是 3D NAND 配置中的存儲芯片，可以包含數(shù)百層，并逐層堆疊。

“對于某些類型的設(shè)計(jì)，例如 NAND 內(nèi)存，需要進(jìn)行大量芯片堆疊和引線鍵合，”Viklund 說。“當(dāng)然，挑戰(zhàn)在于以保護(hù)電線的方式進(jìn)行引線鍵合，因?yàn)橄乱粋€(gè)芯片會與它重疊?！?/p>

這才是問題真正開始的地方。“多層是一個(gè)殺手，”謝弗補(bǔ)充道?！熬碗娋€數(shù)量而言，最大的挑戰(zhàn)是層數(shù)的增加。我們對一層進(jìn)行引線鍵合，然后檢查、返工，對第二層進(jìn)行引線鍵合，然后重復(fù)，等等。一旦頂層有了層，就幾乎不可能對各層進(jìn)行返工?！?/p>

層數(shù)越多，難度越大。“今天的內(nèi)存中可能有十幾層甚至更多層的引線鍵合，因此它可能會變得非常復(fù)雜，”陳說?！皢栴}是，引線鍵合能否繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模？跟上不斷增加的密度是否可行？如果電線彼此距離太近，最終會發(fā)生所有機(jī)械和熱循環(huán)，電線可能會開始移動(dòng)并最終短路。問題是我們?nèi)绾卧谒须娋€之間獲得足夠的余量，以便我們能夠處理這樣的公差？”

結(jié)論

面對不斷變化的技術(shù)需求，引線鍵合繼續(xù)證明其適應(yīng)性和相關(guān)性。隨著半導(dǎo)體器件的小型化和復(fù)雜性的增加，引線鍵合已經(jīng)進(jìn)行了創(chuàng)新，結(jié)合了新材料和精煉技術(shù)來應(yīng)對現(xiàn)代電子產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。雖然為了滿足特定需求而出現(xiàn)了倒裝芯片技術(shù)等替代互連方法，但引線鍵合仍然是連接芯片與封裝的主要方式。

在經(jīng)濟(jì)和性能因素的推動(dòng)下，該行業(yè)從金轉(zhuǎn)向銅，體現(xiàn)了引線鍵合的適應(yīng)性。此外，采用多層架構(gòu)的存儲器應(yīng)用的復(fù)雜性日益增加，強(qiáng)調(diào)了對能夠適應(yīng)復(fù)雜設(shè)計(jì)而不影響可靠性的引線鍵合解決方案的需求。隨著半導(dǎo)體格局的不斷發(fā)展，引線鍵合的彈性和創(chuàng)新傳統(tǒng)表明，它將仍然是行業(yè)未來不可或缺的一部分，在變化中適應(yīng)并蓬勃發(fā)展。

編輯：黃飛
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