半导体“楔形键合（Wedge Bonding）”工艺技术的详解；-电子发烧友网

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键合工艺发展经历了从引线键合到混合键合的过程。从上世纪70年代起，其发展历程涵盖了引线键合、倒装、热压贴合、扇出型封装和混合键合，连接方式从最初的引线键合到锡球再到铜 - 铜键合，单位面积连接密度提高了超过2000倍。

引线键合（Wire Bonding）是一种常见的封装技术。它通过加热、加压、超声波能量等方式将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。

现有的用于引线键合工艺的金属引线主要有金线、铝线和铜线，这几种金属引线各有优劣。比如金线具有导电性好，耐腐蚀能力强等特点，但是金线的成本高。铝线的成本低廉，但是其容易腐蚀，且很容易断裂，所以常用在一些相对低端的封装中。铜线价格也比较便宜，而且现有的芯片金属布线大多采用铜布线，因此采用铜线键合能更好地与芯片工艺兼容。但铜线的硬度太高，键合过程中容易产生裂纹甚至剥落现象。

而随着半导体技术的飞速发展，集成电路封装的高密度、高强度、低成本要求日益增长。在这一背景下，铜丝键合技术因其成本效益和优异的物理性能，逐渐成为金丝键合的有力替代品。铜丝不仅价格低廉，而且具有更高的机械强度、更低的电阻率以及更慢的铜铝金属间化合物(IMC)生长速度，这些特性使得铜丝在高密度封装中展现出独特的优势。

然而，铜丝键合技术在实际应用中也面临着一系列挑战。铜丝易氧化、硬度高，这些特性在键合过程中可能导致芯片损伤、氧化层形成等问题，影响键合的质量和可靠性。此外，铜丝在封装后还可能受到塑封材料中卤化物的腐蚀，进一步增加了失效风险。

所以，根据采用的金属引线的材质不同，键合工艺也有差异。比如金线普遍采用热超声键合，且采用球形键合，即将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工具中，引线端部受热熔成球状，在劈刀的引导下接触晶片的键合区，加压后，使金球和焊盘金属焊接在一起，然后劈刀提起，沿着预定的轨道移动，到达第二个键合点时，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，键合过程完成。铝丝键合则较多地采用楔形引线键合法，将金属丝穿入楔形劈刀背面的一个小孔，通过移动劈刀将金属丝压在焊区表面，采用超声或热声焊实现前一个焊点的键合，随后劈刀上升并移动到第二个键合点时，再次利用压力和超声能量形成第二个键合焊点，劈刀垂直向下运动截断金属丝的尾部，完成键合。

引线键合主要分为两种形式：球形键合（Ball Bonding）和楔形键合（Wedge Bonding）。这两种技术都涉及三个基本步骤：在芯片上形成第一焊点、形成线弧、以及在引线框架或基板上形成第二焊点。它们的主要区别在于第一焊点的形成方式：球形键合在每次焊接开始时会形成一个焊球，然后将其焊接到焊盘上；而楔形键合则是直接将引线焊接到芯片焊盘上。

一、楔形键合（Wedge Bonding）工艺的介绍

楔形键合，英文全称：Wedge Bonding，此工艺其实是半导体超声热压键合的一种基本工艺技术。该技术利用超声波发生器产生的高频振动，使键合设备的铆钉在水平方向上产生弹性振动，同时施加向下的压力。这种振动和压力共同作用，使铆钉带动引线在被焊件金属表面快速摩擦，从而在焊接区造成塑性变形，并去除金属表面的氧化层。引线与键合区因此得以紧密接触，完成焊接。超声波楔键合工艺两端的键合点一般呈楔形，这种形状有助于增强键合的牢固度和稳定性。

二、楔形键合（Wedge Bonding）工艺的原理

楔形键合通过楔形劈刀传递热能、压力和超声能量给金属线，形成焊接。这种焊接过程中不形成焊球。在劈刀压力和超声作用下，金属线与焊盘金属接触形成连接。楔形键合是单向焊接工艺，第二焊点需与第一焊点对齐。旋转式楔形劈刀可适应不同角度的焊线。楔形键合通常用于室温下的铝线超声波键合，成本和温度较低。由于焊点小，适合微波和大功率器件的封装。

楔形键合是用楔形劈刀将热、压力、超声传给金属线,在一定时间形成焊接,焊接过程中不出现焊球。在劈刀的压力和超声波能量的作用下,金属线和焊盘金属的纯净表面接触并最终形成连接。楔形键合是一种单一方向焊接工艺(即第二焊点必须对准第一焊点的方向)。传统的楔形键合仅仅能在线的平行方向上形成焊点,旋转的楔形劈刀能使楔形键合机适合不同角度的焊线,在完成引线操作后移动到第二焊点之前劈刀旋转到程序规定的角度。常见楔形键合工艺是室温下的铝线超声波键合,其成本和键合温度较低。由于楔形键合形成的焊点小于球形键合,特别适用于微波器件,尤其是大功率器件的封装。