鍵合引線懸空的引線鍵合工藝研究

唐家霖，崔 潔，柳 青

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100076）

鍵合引線懸空的引線鍵合工藝研究

唐家霖，崔 潔，柳 青

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100076）

鍵合引線懸空的引線鍵合工藝是在傳統(tǒng)引線鍵合結束后直接將鍵合引線與管腳分離，從而得到引腳懸空的芯片；分離后的鍵合引線的一端懸空，可以用于作為芯片與外部電路實現(xiàn)電氣互聯(lián)的引腳，而無需通過引線框架上的引腳實現(xiàn)與外部電路的電氣互聯(lián)，該工藝方法不破壞引線框架可使得引線框架循環(huán)利用降低封裝成本，通過懸空的一端鍵合引線與外部電路互連減小了封裝體積。

引線鍵合；鍵合引線；鍵合引線懸空

集成電路的生產(chǎn)總體上包括材料制備與加工、芯片制造、封裝三大環(huán)節(jié)。其中，芯片封裝工藝主要包括減薄、劃切、粘片、烘烤固化、清洗、鍵合、塑封、切筋等不同工序。其中鍵合是把芯片上電極與金屬引線框架一一對應連接起來的焊接工藝。其原理為熱壓超聲焊接，主要包括一焊點的球焊與二焊點的楔形焊接。球焊是在鍵合用引線通常為金線的末端燒成一定大小的焊球，通過劈刀將焊球壓在有一定焊接溫度的芯片電極上同時利用超聲換能裝置的高頻振動將焊球焊接在芯片電極上；楔形焊接是利用劈刀的特殊結構將鍵合用引線楔入引線框架的管腳上；線弧是利用引線鍵合設備鍵合頭的高精密動作控制形成滿足不同封裝要求的線弧形狀。其工藝流程見圖1所示。

近些年來，芯片封裝技術的發(fā)展速度逐漸加快，主要具有以下幾個典型特點：

（1）封裝工藝的簡化。由于材料技術的不斷發(fā)展以及封裝工藝的不斷創(chuàng)新簡化了傳統(tǒng)的封裝工

（2）封裝器件的小型化與集成化。隨著電子設備智能化，微型化的市場需求不斷加大，使得各類封裝器件向著小型化、集成化的趨勢發(fā)展。

（3）封裝可靠性提高。隨著封裝產(chǎn)品應用領域的不斷擴展，應用環(huán)境也日趨復雜，這對封裝產(chǎn)品的可靠性提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的引線鍵合工藝需要通過切筋實現(xiàn)芯片與引線框架的分離，設備使用種類多，從而增加企業(yè)成本，同時引線框架作為耗材使用也使得封裝成本增加，增加了芯片體積，無法適應封裝產(chǎn)品體積越來越小的要求，針對以上缺點本文研發(fā)了一種鍵合引線懸空的引線鍵合工藝，可以省去后續(xù)的切筋工序，而且引線框架循環(huán)利用，同時還使得封裝體積減小，對促進半導體封裝工藝的進步具有重要意義。

圖1　集成電路封裝關鍵流程

1　鍵合引線懸空的引線鍵合工藝

本文研究的一種鍵合引線懸空的引線鍵合工藝，是在標準引線鍵合（一焊點球焊以及二焊點楔焊）結束后實現(xiàn)的，采用該工藝方法可以省去半導體后段封裝步驟中的切筋工序即封裝好的芯片與引線框架的分離，而且鍵合引線與引線框架分離不破壞引線框架可以使其循環(huán)利用。該工藝方法實現(xiàn)了鍵合引線與引線框架的分離得到了獨立的帶有鍵合引線的芯片，為帶有鍵合引線的獨立芯片與其他基板互連打下基礎，增強了半導體后段封裝工藝的靈活性，減小封裝成品的體積。

該工藝方法可以在引線鍵合設備上實現(xiàn)，首先通過引線鍵合機完成標準引線鍵合，如圖2所示；然后將引線鍵合的第二焊點與引線框架分離，實現(xiàn)鍵合引線的懸空，如圖3所示。鍵合引線懸空后對引線鍵合的第一焊點的引線鍵合強度以及線弧的一致性不產(chǎn)生影響，同時懸空的第二焊點翹曲量小，保證了鍵合用引線弧形形狀的健壯性。

該工藝方法具有使懸空后的各類鍵合引線可靠性高、一致性好、壽命長等優(yōu)點，提高了封裝成品率。

圖2　標準引線鍵合

圖3　鍵合引線懸空

2　鍵合引線懸空的鍵合工藝實施方案以及質量控制

2.1工藝實施方案

鍵合引線懸空的引線鍵合工藝，包括標準引線鍵合和鍵合引線與引線框架分離兩部分。首先，通過鍵合設備在芯片與引線框架間完成標準引線鍵合；然后，通過分離裝置將焊接引線與引線框架分離。其中，分離方式與分離裝置并不唯一，可以根據(jù)使用條件靈活選取，本文選取剪切分離方式作為分離具體實施方案。

如圖4所示，是本研究的的一種工藝實施方案，包括芯片4、分離機構1。芯片4通過真空孔固定在焊接基板上，利用引線鍵合設備將芯片4上的電極5與焊線基板上的鍍銀區(qū)6用鍵合用引線連接起來，剪切線3兩端固定于加緊支臂2和夾緊支臂7上，剪切機構1沿與焊接基板平行的方向8移動通過剪切力將焊接引線第二焊點與焊接基板分離實現(xiàn)芯片與引線框架的分離，分離后的鍵合引線懸空的芯片如圖3所示。

圖4　剪切分離方案

2.2工藝質量控制

如上文所述，鍵合引線懸空的引線鍵合工藝是在標準引線鍵合后實現(xiàn)鍵合引線與引線框架分離的一種新型鍵合工藝，由于鍵合引線與引線框架分離的加工對象是鍵合引線。鍵合引線以金線、銅線為主，其線徑一般在20～50 μm，由于較小的線徑使得鍵合引線與引線框架分離時，容易造成二焊點翹曲、線弧高度不一等缺陷，以上缺陷均會對后續(xù)鍵合引線與其他基板互連產(chǎn)生影響，因此對工藝質量的控制顯得尤為重要。

本文論述的工藝質量控制主要是通過對剪切分離效果進行量化評價來實現(xiàn)的，其中，評價分離效果可以用分離后焊線長度，線弧高度，以及第二焊點的翹動量來表征。各表征量如圖5所示。其中，焊線長度為第一焊接點17與第二焊接點18之間的水平距離20，線弧高度為第一焊接點17與線弧最高點16之間的垂直距離19，第二焊點的翹動量為第二焊接點18與測量基準面之間的垂直距離21。上述表征量為鍵合引線懸空的引線鍵合工藝實施后的評價參數(shù)，可以根據(jù)使用要求具體確定各表征量的波動量。

圖5　分離質量表征量

2.3工藝驗證

本文選定測試用劈刀型號為SPT SU-28165-515E-ZU34，金線線徑選定為20.32 μm，測試產(chǎn)品為某型號芯片，分離方式采用2.1所述的剪切分離方案，并以2.2所述的工藝質量表征量為對象進行工藝驗證。

標準引線鍵合效果如圖6所示，利用剪切機構分離后效果如圖7所示，其中，評價分離效果可以用分離后焊線長度，線弧高度，以及二焊點翹動量來表征。通過相關數(shù)據(jù)的測量與統(tǒng)計后得到：設置600 μm焊線長度的焊接引線在分離后焊線長度波動量在13 μm以內(nèi)（鍵合設備的線長度精度為±4 μm）如圖8所示，設置150 μm焊線高度的焊接引線分離后線弧高度波動量在10 μm以內(nèi)（鍵合設備的線弧高度精度為±6 μm）如圖9所示，焊接引線分離后二焊點翹動波動量為13 μm如圖10所示。各項數(shù)據(jù)表明焊接引線分離后具有較高的一致性和較高的可靠性。

圖6　某芯片標準引線鍵合　

圖7　某芯片引線懸空

圖8　焊線長度波動量

圖9　弧形高度波動量

圖10　二焊點翹曲波動量

3　結束語

本文研究了一種新型的引線鍵合工藝即鍵合引線懸空的引線鍵合工藝，該工藝方法具備簡化封裝工藝，降低封裝成本等優(yōu)點，具有較高的市場推廣價值。文中給出了該工藝方法的產(chǎn)生背景，具體實施方案以及該工藝質量的評價方法。通過相關實驗驗證得到，該工藝方法具備實際的可操作性，對傳統(tǒng)引線鍵合機進行適當改造即可實現(xiàn)，同時該工藝方法的質量是可控的，各項數(shù)據(jù)表明該工藝方法在焊接引線分離后具有較高的一致性與可靠性。

［1］ 周玉.材料分析測試技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.

［2］ 劉玉玲.微電子技術工程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［3］ 周良知.微電子器件封裝［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006.

［4］ 前田和夫.半導體制造裝置［M］.日本：日本工業(yè)調查協(xié)會，2002.

唐家霖（1987.04-）男，遼寧大連人，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于東北大學，就職于中國電子科技集團公司第四十五研究所，主要從事高密度集成電路封裝設備倒裝鍵合機的研發(fā)，以及封裝技術研究。

The Research of the Hanging Wire Bonding Process

TANG Jialin，CUI Jie，LIU Qing

（The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100076，China）

In this paper，the hanging wire bonding process separates the wire from the Lead frame directly after the traditional wire bonding.The hanging wire could be used as a pin to realize the electrical interconnection with the other pin，the process does not destroy the lead frame，reduce the cost of the packaging and the packaging volume.

Wire bonding process；Bonding wire；Hanging wire

TN405.96

B

1004-4507（2016）08-0005-04

2016-07-07藝。如鍵合引線懸空的引線鍵合工藝，就是在引線鍵合結束后實現(xiàn)了引線與焊接管腳的分離，省去了后續(xù)的切筋工序，實現(xiàn)了引線框架的循環(huán)利用，節(jié)省了封裝成本。