引线键合的三种技术

于 2026-06-23 11:33:26 发布 3 阅读 0 评论

微电子封装是芯片成为功能产品的最后一步。它不仅为芯片提供电气连接、散热通道,还承担物理支撑与保护作用。封装质量直接影响器件性能,其中,互连技术尤为关键。研究表明,25%~30%的半导体失效源于芯片互连问题。


在各类互连方式中,引线键合因成本低、工艺成熟,仍占据封装市场约70%的份额。引线键合是一种使用细金属线,利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合,实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。

一、热压键合


1.原理


通过加热与加压使金球发生显著塑性变形,表面滑移线破坏氧化膜,洁净金属面接触并扩散,形成焊点。

2.关键影响因素


热压键合对材料有较高要求。例如:
  • Au-Ag、Au-Cu等可形成固溶体的金属组合,扩散性好,焊接性能优良;
  • Au-Si、Al-Si等可形成低熔点共晶,也具备良好的可焊性;
  • 而如Au-Al、Cu-Al等通过扩散形成金属间化合物的组合,虽可焊接但需严格控制工艺。

3.工艺参数:
  • 键合时间:时间延长有助于提高变形率和连接强度;
  • 键合力:需精确控制,过大可能损伤芯片,过小则连接不牢;
  • 变形率:在一定范围内,拉断载荷与球的变形率成正比;
  • 洁净度:任何污染都会显著降低焊接强度。

4.特点
优势:工艺简单,无方向性,金-金键合稳定。

劣势:需高温(通常150°C以上),对洁净度极敏感,小焊盘适应性差,成品率偏低。


二、超声键合


1.原理
常温下,超声振动使氧化膜破碎,纯净金属面摩擦生热并扩散,实现连接。
过程分两段:初始滑移去污染,随后横向塑性变形完成键合。
2.关键影响因素
超声功率:决定材料软化程度;
键合力:压力越大,越早形成连接,滑动阶段缩短;
变形幅度:强度随变形增加而提升,但超过丝材承载极限时断裂;
后加热:可进一步促进扩散,提升接头强度。
3.特点
优势:可焊异种金属,不影响导电性;周期短、热影响小;无需辅料,能耗低;金属间化合物生长少,可靠性高。

劣势:对表面粗糙度敏感;铝屑易粘焊头,难清理;材料厚度受限,可焊金属范围窄;设备功率需求高。


三、热压超声键合


1.原理
结合了热压和超声两种能量的热压超声键合(又称金丝球键合),成为目前最主流的引线键合技术。它同时利用热、压力和超声波能量,在较低温度和压力下实现高质量连接。
2.典型工艺流程
  • 穿线:引线穿过劈刀,伸出长度决定后续球尺寸;
  • 形成球:通过EFO(电子火焰熄灭)放电将引线端部熔成球状;
  • 对位:球移动到焊盘上方;
  • 第一焊点:劈刀将球压到焊盘上,施加压力、温度和超声波形成连接;
  • 拱丝成型:劈刀上升并移动到第二焊点位置,形成特定拱形;
  • 第二焊点:在基板或引线框上形成楔形焊接;
  • 断线:夹子闭合,劈刀上升扯断引线,准备下一次键合。

3.关键影响因素
超声时间:过长易损焊盘,过短扩散不足;
变形量:有效键合面积随变形增大而增加,强度提升。
4.特点
优势:温度与压力低于纯热压,热应力小;可形成复杂拱丝,适应高密度封装;无方向性,工艺窗口宽。

劣势:对污染物敏感,易出现缩坑;参数多(温度、压力、超声、时间),调试复杂; 焊盘尺寸略大于超声键合,成品率略低。


结语


尽管引线键合技术已成熟应用数十年,它仍在不断发展和优化。随着芯片尺寸缩小和集成度提高,对键合精度、速度和可靠性的要求越来越高。


新型材料如合金丝、镀钯铜丝等逐渐应用,提高了连接可靠性和抗腐蚀性能。键合设备也越来越精密,许多现代键合机已经具备实时监测、自动校准和机器学习优化能力,能够根据焊点质量动态调整参数。

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