实验二引线键合实验 一、实验目的 1、通过实验使学生掌握微电子封装技术的应用技能，了解电子 封装工艺的基本过程和要求： 2、了解金丝键合和铝丝键合基本原理和工艺，掌握两种引线键 合基本操作工艺： 3、掌握引线键合的材料体系与键合质量进行评价。 二、实验原理 引线键合焊的原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面 的氧化层和污染，产生塑性变形，使得引线与被焊面亲密接触，达到 原子间的引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。 在集成电路和电子器件的芯片与外部引线的连接方法中，引线键 合是最主要和最通用的方法。集成电路封装中，芯片先固定于金属导 线架上，再以引线键合工艺将细金属线依序与芯片及导线架完成接合。 引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝，它们是电子封 装业四种重要结构材料之一。引线键合工艺有球形键合与楔形键合两 种工艺，键合方式则有热压键合、热声键合和超声键合等 常用的引线键合方式有三种：热压键合、超声键合和热声键合。 2.1热压键合焊 热压键合焊是利用加压和加热，使得金属丝与焊区接触面的原子 间达到原子的引力范围，从而达到键合目的，常用于金丝的键合。 热压键合的焊头有楔形、针形和锥形几种。焊接压力一般为
实验二 引线键合实验 一、实验目的 1、通过实验使学生掌握微电子封装技术的应用技能，了解电子 封装工艺的基本过程和要求； 2、了解金丝键合和铝丝键合基本原理和工艺，掌握两种引线键 合基本操作工艺； 3、掌握引线键合的材料体系与键合质量进行评价。 二、实验原理 引线键合焊的原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面 的氧化层和污染，产生塑性变形，使得引线与被焊面亲密接触，达到 原子间的引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。 在集成电路和电子器件的芯片与外部引线的连接方法中，引线键 合是最主要和最通用的方法。集成电路封装中，芯片先固定于金属导 线架上，再以引线键合工艺将细金属线依序与芯片及导线架完成接合。 引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝，它们是电子封 装业四种重要结构材料之一。引线键合工艺有球形键合与楔形键合两 种工艺，键合方式则有热压键合、热声键合和超声键合等。 常用的引线键合方式有三种：热压键合、超声键合和热声键合。 2.1 热压键合焊 热压键合焊是利用加压和加热，使得金属丝与焊区接触面的原子 间达到原子的引力范围，从而达到键合目的，常用于金丝的键合。 热压键合的焊头有楔形、针形和锥形几种。焊接压力一般为
50-150g点，压焊时芯片与压焊头均要加热，约150C。通常当芯片 加热达300℃以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层：同时，由于芯 片加热温度高，压焊时间一长，容易损害芯片，也容易在高温(>200℃) 下形成特殊的金属间化合物，影响焊点的可靠性。由于热压键合焊使 金属丝的变形过大而受损，焊点的拉开力过小(<5g点)，因此热压 键合使用得越来越少。 2.2超声键合焊 超声键合是利用超声波(60~120KHz)发生器使劈刀发生水平 弹性振动，同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引 线在焊区金属表面迅速摩擦，引线受能量作用发生塑性变形，在25s 内与键合区紧密接触而完成焊接。常用于A!丝的键合。键合点两端 都是楔形。与热压键合焊相比，由于能充分去除焊接界面的金属氧化 层，可以提高焊接质量。焊接强度高于热压焊，可达0g点以上。超 声焊不需要加热，可在常温下进行。因此对芯片的损伤小，同时可以 根据需要调整超声键合能量，改变键合条件来焊接不同直径的焊丝。 2.3热声键合焊 热声键合焊主要用于Au和Cu丝的键合。它也采用超声波能量， 但是与超声焊不同点的是键合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀 掉表面氧化层。外加热量的目的是激活材料的能级，促进两种金属的 有效连接以及金属间化合物(MC)的扩散和生长。采用热声焊的球 形键合技术是最具代表性的引线键合技术。球形键合技术的特点是操 作方便、灵活且焊点牢固，压焊面积大，无方向性，故可实现高速自
50-150g/点，压焊时芯片与压焊头均要加热，约 150C。通常当芯片 加热达 300C 以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层；同时，由于芯 片加热温度高，压焊时间一长，容易损害芯片，也容易在高温（>200C） 下形成特殊的金属间化合物，影响焊点的可靠性。由于热压键合焊使 金属丝的变形过大而受损，焊点的拉开力过小（<5g/点），因此热压 键合使用得越来越少。 2.2 超声键合焊 超声键合是利用超声波（60～120KHz）发生器使劈刀发生水平 弹性振动，同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引 线在焊区金属表面迅速摩擦，引线受能量作用发生塑性变形，在 25ms 内与键合区紧密接触而完成焊接。常用于 Al 丝的键合。键合点两端 都是楔形。与热压键合焊相比，由于能充分去除焊接界面的金属氧化 层，可以提高焊接质量。焊接强度高于热压焊，可达 10g/点以上。超 声焊不需要加热，可在常温下进行。因此对芯片的损伤小，同时可以 根据需要调整超声键合能量，改变键合条件来焊接不同直径的焊丝。 2.3 热声键合焊 热声键合焊主要用于Au 和Cu 丝的键合。它也采用超声波能量， 但是与超声焊不同点的是键合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀 掉表面氧化层。外加热量的目的是激活材料的能级，促进两种金属的 有效连接以及金属间化合物（IMC）的扩散和生长。采用热声焊的球 形键合技术是最具代表性的引线键合技术。球形键合技术的特点是操 作方便、灵活且焊点牢固，压焊面积大，无方向性，故可实现高速自
动化焊接。现代的金丝球键合焊机一般都带有超声功能，从而具有超 声键合的优点，也称为热声焊。因此这种热声键合焊广泛用于各类集 成电路的焊接中。焊接时衬底仍需要加热（一般为100C),压焊时 加超声，因此加热温度远低于热压焊。所加的压力一般为50g点，与 热压相同。 2.4几种键合技术的比较 表1列出了几种键合工艺的特点。 表1健合工艺比较 键合原理 压力 温度 超声能引线材料 焊盘 热压健合 高 300-500℃ 无金、钢 铝、金、细 超声健合 低 25C 有 金、铝 铝、金、钢 热声键合 低 100-150℃ 有 金、铝、铜铝、全、钢 迄今为止，对引线键合的原理及超声是通过什么方式影响键合过 程的还没有一个统一的完全有根据的理论。但可以确定的是超声键合 的本质属于固态连接过程，但过程的原理尚不清楚。一般认为连接机 理是将弹性机械振动能转换为摩擦能和形变能在静压力的共同作用 下表面氧化膜破碎，新生成的表面相互接近到原子间引力能够发生作 用的距离从而实现连接材料界面的冶金结合。但从文献看，超声键合 过程温度的测量结果有很大的偏差，一般在80-300℃之间。根据扩散 定律计算表明在此温度范围内在20-30ms的时间内，固相界面发生的 热扩散尚不足以导致达到治金连接的程度。 2.5键合工艺 (1)球形键合工艺
动化焊接。现代的金丝球键合焊机一般都带有超声功能，从而具有超 声键合的优点，也称为热声焊。因此这种热声键合焊广泛用于各类集 成电路的焊接中。焊接时衬底仍需要加热（一般为 100C），压焊时 加超声，因此加热温度远低于热压焊。所加的压力一般为 50g/点，与 热压相同。 2.4 几种键合技术的比较 表 1 列出了几种键合工艺的特点。 表 1 键合工艺比较 键合原理 压力 温度 超声能 引线材料 焊盘 热压键合 高 300-500C 无 金、铜 铝、金、铜 超声键合 低 25C 有 金、铝 铝、金、铜 热声键合 低 100-150C 有 金、铝、铜 铝、金、铜 迄今为止，对引线键合的原理及超声是通过什么方式影响键合过 程的还没有一个统一的完全有根据的理论。但可以确定的是超声键合 的本质属于固态连接过程，但过程的原理尚不清楚。一般认为连接机 理是将弹性机械振动能转换为摩擦能和形变能在静压力的共同作用 下表面氧化膜破碎，新生成的表面相互接近到原子间引力能够发生作 用的距离从而实现连接材料界面的冶金结合。但从文献看，超声键合 过程温度的测量结果有很大的偏差，一般在 80-300℃之间。根据扩散 定律计算表明在此温度范围内在 20-30ms 的时间内，固相界面发生的 热扩散尚不足以导致达到冶金连接的程度。 2.5 键合工艺 （1）球形键合工艺
图1是球形键合工艺过程。将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工 具中，引线在电火花作用下受热熔成液态，由于表面张力的作用而形 成球状，在视觉系统和精密控制下，劈刀下降使球接触晶片的键合区， 对球加压，使球和焊盘金属形成治金结合完成焊接过程，然后劈刀提 起，沿着预定的轨道移动，称作弧形走线，到达第二个键合点（焊盘） 时，利用压力和超声能量形成月牙式焊点，劈刀垂直运动截断金属丝 的尾部。这样完成两次焊接和一个弧线循环。 (a)对准IC焊 (6)球形键合 (c)移至第二点 (d)月牙形键 (e)截断 ()电弧熔球 图1球形键合工艺步骤 (2)楔形键合工艺 图2是楔形键合工艺过程。将金属丝穿入楔形劈刀背面的一个小 孔，丝与晶片键合区平面呈30-60°角。当楔形劈刀下降到焊盘键合区 时，劈刀将金属丝压在焊区表面，采用超声或热声焊实现第一点的键
图 1 是球形键合工艺过程。将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工 具中，引线在电火花作用下受热熔成液态，由于表面张力的作用而形 成球状，在视觉系统和精密控制下，劈刀下降使球接触晶片的键合区， 对球加压，使球和焊盘金属形成冶金结合完成焊接过程，然后劈刀提 起，沿着预定的轨道移动，称作弧形走线，到达第二个键合点（焊盘） 时，利用压力和超声能量形成月牙式焊点，劈刀垂直运动截断金属丝 的尾部。这样完成两次焊接和一个弧线循环。 (a) 对准 IC 焊 盘 (b) 球形键合 (c) 移至第二点 (d) 月牙形键 合 (e) 截断 (f) 电弧熔球 图 1 球形键合工艺步骤 （2）楔形键合工艺 图 2 是楔形键合工艺过程。将金属丝穿入楔形劈刀背面的一个小 孔，丝与晶片键合区平面呈 30-60角。当楔形劈刀下降到焊盘键合区 时，劈刀将金属丝压在焊区表面，采用超声或热声焊实现第一点的键
合焊，随后劈刀抬起并沿着劈刀背面的孔对应的方向按预定的轨道移 动，到达第二个键合点（焊盘）时，利用压力和超声能量形成第二个 键合焊点，劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。这样完成两次焊接和一 个孤线循环。 图3为球形键合与楔形键合互连的实例照片。 楔形劈刀 超声 “ 第建% 而 wppmoymoto fmfroumm (a)劈刀下降 (6)键合第一点 (c)牵引到第二点 超 扯断 第二楼合点一7 % 呼● ifiw市 wp605poowwioo (d)键合第二点 (e)撤断引线 (E)准备下一焊点 图2禊形键合工艺步豫 (c)球形键合第二 (a)球形键合照片 (b)球形键合的第一点 点 (d)楔形键合照片 (e)楔形键合的第一点 (f)楔形键合第二 点 图3球形键合与楔形键合照片 (3)键合工艺比较
合焊，随后劈刀抬起并沿着劈刀背面的孔对应的方向按预定的轨道移 动，到达第二个键合点（焊盘）时，利用压力和超声能量形成第二个 键合焊点，劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。这样完成两次焊接和一 个弧线循环。 图 3 为球形键合与楔形键合互连的实例照片。 (a) 劈刀下降 (b) 键合第一点 (c) 牵引到第二点 (d) 键合第二点 (e) 撤断引线 (f) 准备下一焊点 图 2 楔形键合工艺步骤 （a）球形键合照片 （b）球形键合的第一点 （c）球形键合第二 点 (d) 楔形键合照片 （e）楔形键合的第一点 （f）楔形键合第二 点 图 3 球形键合与楔形键合照片 （3） 键合工艺比较