結束前工序的每一個晶圓上，都連接著500~1200個芯片（也可稱作Die）。為了將這些芯片用于所需之處，需要將晶圓切割(Dicing)成單獨的芯片后，再與外部進行連接、通電。此時，連接電線（電信號的傳輸路徑）的方法被稱為引線鍵合（Wire Bonding）。

其實，使用金屬引線連接電路的方法已是非常傳統的方法了，現在已經越來越少用了。近來，加裝芯片鍵合（Flip Chip Bonding）和硅穿孔（Through Silicon Via，簡稱TSV）正在成為新的主流。加裝芯片鍵合也被稱作凸點鍵合（Bump Bonding），是利用錫球（Solder Ball）小凸點進行鍵合的方法。硅穿孔則是一種更先進的方法。

為了了解鍵合的最基本概念，在本文中，我們將著重探討引線鍵合，這一傳統的方法。

一、鍵合法的發展歷程



圖1. 鍵合法的發展史：引線鍵合→加裝芯片鍵合→硅穿孔

為使半導體芯片在各個領域正常運作，必須從外部提供偏壓（Bias voltage）和輸入。因此，需要將金屬引線和芯片焊盤連接起來。早期，人們通過焊接的方法把金屬引線連接到芯片焊盤上。

從1965年至今，這種連接方法從引線鍵合(Wire Bonding)，到加裝芯片鍵合(Flip Chip Bonding)，再到TSV，經歷了多種不同的發展方式。

引線鍵合顧名思義，是利用金屬引線進行連接的方法；加裝芯片鍵合則是利用凸點（bump）代替了金屬引線，從而增加了引線連接的柔韌性；TSV作為一種全新的方法，通過數百個孔使上下芯片與印刷電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）相連。

二、鍵合法的比較：引線鍵合(Wire Bonding)和加裝芯片鍵合(Flip Chip Bonding)



圖2. 引線鍵合VS加裝芯片鍵合的工藝

芯片鍵合，作為切割工藝的后道工序，是將芯片固定到基板（substrate）上的一道工藝。引線鍵合則作為芯片鍵合的下道工序，是確保電信號傳輸的一個過程。與引線鍵合相似的另一種連接方法為加裝芯片鍵合，兩者都是使用直徑很小的金屬物體來連接芯片中的焊盤和PCB上的焊盤（在引線框架下，僅使用于引線鍵合）的。

相比之下，利用金屬引線進行連接的引線鍵合法有如下幾個缺點：金屬引線比凸點要長，且直徑更小，因此傳輸電信號耗時長；且由于金屬引線的高阻抗（impedance），信號很容易失真。

不僅如此，由于焊頸（solder neck）容易斷開、且結合強度相對較弱，因此拉伸強度相對較差。相反，加裝芯片鍵合法雖然操作連接器小錫球有些復雜，但在連接可靠性和電信號傳輸等方面卻有很多優勢。

三、引線鍵合（Wire Bonding）是什么？



圖3. 引線鍵合的結構（載體為印刷電路板（PCB）時）

引線鍵合是把金屬引線連接到焊盤上的一種方法，即是把內外部的芯片連接起來的一種技術。從結構上看，金屬引線在芯片的焊盤（一次鍵合）和載體焊盤（二次鍵合）之間充當著橋梁的作用。

早期，引線框架（lead frame）被用作載體基板，但隨著技術的日新月異，現在則越來越多地使用PCB作基板。連接兩個獨立焊盤的引線鍵合，其引線的材質、鍵合條件、鍵合位置（除連接芯片和基板外，還連接兩個芯片，或兩個基板）等都有很大的不同。

四、引線鍵合法：熱壓/超聲波/熱超聲波



圖4. 引線鍵合法

將金屬引線連接到焊盤的方法主要有三種：熱壓法（thermo-compression method），將焊盤和毛細管劈刀（類似毛細管狀的移動金屬引線的工具）通過加熱、壓縮進行連接的方法；超聲波法（Ultrasonic），不加熱，將超聲波施加到毛細管劈刀上進行連接的方法；熱超聲波法（Thermosonic），同時使用加熱和超聲波的綜合式方法。

第一種是熱壓鍵合法，提前將芯片焊盤的溫度加熱到200℃左右，再提高毛細管劈刀尖端的溫度，使其變成球狀，通過毛細管劈刀向焊盤施加壓力，從而將金屬引線連接到焊盤上。

第二種超聲波法(Ultrasonic)是在楔形劈刀（Wedge,與毛細管劈刀類似，是移動金屬引線的工具，但不形成球狀）上施加超聲波，實現金屬引線與焊盤連接的方法。這種方法的優點是工藝和材料成本低；但由于超聲波法用易操作的超聲波代替了加熱和加壓的過程，因此鍵合拉伸強度（bonded tensile strength，連線后拽拉引線時的承受能力）則相對較弱。

半導體工藝中最常用的方法其實是第三種熱超聲波法。它結合了熱壓法和超聲波法的優點。熱超聲波法將熱、壓力和超聲波施加于毛細管劈刀，使其在最佳狀態下進行連接。在半導體的后端工藝中，相比成本，鍵合的強度更加重要，因此盡管這一方法的成本相對較高，但金絲熱超聲波法是最經常采用的鍵合方法。

五、鍵合金屬引線的材質：金/鋁/銅

金屬引線的材質是根據綜合考慮各種焊接參數（parameter），并組合成最妥當的方法來決定的。這里指的參數所涉及的事項繁多，包括半導體的產品類型、封裝種類、焊盤大小、金屬引線直徑、焊接方法，以及金屬引線的抗拉強度和伸長率等有關信賴度的指標。典型的金屬引線材質有金（Au）、鋁（Al）和銅（Cu）。其中，金絲多用于半導體的封裝。

金絲（Gold Wire）的導電性好，且化學性很穩定，耐腐蝕能力也很強。然而，早期多使用的鋁絲的最大缺點就是易腐蝕。而且金絲的硬度強，因此，在一次鍵合中可以很好地形成球狀，并能在二次鍵合中恰到好處地形成半圓形引線環（Loop，從一次鍵合到二次鍵合金絲形成的形狀）。

鋁絲（Aluminum Wire）比金絲直徑更大，間距（pitch）也更大。因此，即使使用高純度的金絲形成引線環也不會斷裂，但純鋁絲則很容易斷裂，所以會摻和一些硅或鎂等制成合金后使用。鋁絲主要用于高溫封裝（如 Hermetic）或超聲波法等無法使用金絲的地方。

銅絲（Copper Wire）雖價格便宜，但硬度太高。如果硬度過高，不容易形成球狀，且形成引線環時也有很多限制。而且，在球鍵合過程中要向芯片焊盤施加壓力，如果硬度過高，此時，焊盤底部的薄膜會出現裂紋。

此外，還會出現牢固連接的焊盤層脫落的“剝落（Peeling）”現象。盡管如此，由于芯片的金屬布線都是由銅制成的，所以如今越來越傾向于使用銅絲。當然，為了克服銅絲的缺點，通常會摻和少量的其他材質形成合金后使用。

六、材質不同，引線鍵合法也不同：金絲VS鋁絲

引線鍵合中毛細管劈刀可以說是最核心的工具。毛細管劈刀，一般使用金絲，楔形鍵合則使用鋁絲。毛細管劈刀是通過形成球狀來實現鍵合的，而楔形鍵合則無需形成球狀。楔形劈刀從形狀上就與晶圓末端的毛細管劈刀不同，且連接和切斷（tear）引線的方法也不同。

如果說金絲采用的是“熱超聲波-毛細管劈刀-球”的引線鍵合法，鋁絲采用的則是鋁絲楔形引線鍵合法（Aluminum Wedge Wire Bonding），即“超聲波-楔形鍵合“的方法。鋁絲—超聲波法由于抗拉強度低，只能在特殊情況下使用，而90%以上的情況采用的都是“金絲-熱超聲波法”。

當然，熱超聲波法也存在缺點，即球頸（ball neck）脆弱。所以要非常謹慎地管理HAZ(Heat Affected Zone，在金屬引線材質被毛細管的高溫稍熔化后，在凝固過程中再結晶的金屬引線區域)。

七、利用金絲的球鍵合



圖5. 一次鍵合：在芯片焊盤上的球引線鍵合

最常使用的“熱超聲波金絲球鍵合法”（Thermosonic Gold Ball Wire Bon-ding），分為兩個鍵合階段。

一次鍵合過程如下：金絲穿過毛細管劈刀正中央的小孔，提高金絲末端的溫度，金絲融化后形成金絲球（Gold Ball），打開夾持金屬絲的夾鉗（用于收放金屬引線），施加熱、壓力和超聲波振動，當毛細管劈刀接觸焊盤時，形成的金絲球會粘合到加熱的焊盤上。完成一次球鍵合后，將毛細管劈刀提升到比預先測量的環路高度略高的位置，并移動到二次鍵合的焊盤上，則會形成一個引線環（loop）。



圖6. 二次鍵合：PCB焊盤上的針腳式鍵合

二次鍵合過程如下：向毛細管劈刀施加熱、壓力和超聲波振動，并將第二次形成的金絲球碾壓在PCB焊盤上，完成針腳式鍵合（stitch bonding）。針腳式鍵合后，當引線連續斷裂時，進行拉尾線（Tail Bonding），以形成一尾線（wire tail）。之后，收緊毛細管劈刀的夾鉗（即夾住引線）、斷開金屬引線，結束二次金絲球鍵合。

今天，我們主要講了引線鍵合法與材質之間的相互作用，以及引線鍵合的具體方法。在本文中，對可靠性和引線鍵合中可能出現的問題只是進行了簡短的介紹，但要銘記，在引線鍵合過程中，發現問題，并找出克服問題的解決方案，理解相互之間的權衡關系是非常重要的。

審核編輯：劉清