唐家霖，崔 潔，柳 青

（中國電子科技集團(tuán)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(tuán)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(jié)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(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)的引腳，而無需通過引線框架上的引腳實(shí)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(duì)應(yīng)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(diǎn)的球焊與二焊點(diǎn)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(shí)利用超聲換能裝置的高頻振動(dòng)將焊球焊接在芯片電極上；楔形焊接是利用劈刀的特殊結(jié)構(gòu)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(shè)備鍵合頭的高精密動(dòng)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(shù)的發(fā)展速度逐漸加快，主要具有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)：

（1）封裝工藝的簡(jiǎn)化。由于材料技術(shù)的不斷發(fā)展以及封裝工藝的不斷創(chuàng)新簡(jiǎn)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(shè)備智能化，微型化的市場(chǎng)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(shì)發(fā)展。

（3）封裝可靠性提高。隨著封裝產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，應(yīng)用環(huán)境也日趨復(fù)雜，這對(duì)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(shí)現(xiàn)芯片與引線框架的分離，設(shè)備使用種類多，從而增加企業(yè)成本，同時(shí)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(yīng)封裝產(chǎn)品體積越來越小的要求，針對(duì)以上缺點(diǎn)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(shí)還使得封裝體積減小，對(duì)促進(jìn)半導(dǎo)體封裝工藝的進(jìn)步具有重要意義。

圖1　集成電路封裝關(guān)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(biāo)準(zhǔn)引線鍵合（一焊點(diǎn)球焊以及二焊點(diǎn)楔焊）結(jié)束后實(shí)現(xiàn)的，采用該工藝方法可以省去半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了鍵合引線與引線框架的分離得到了獨(dú)立的帶有鍵合引線的芯片，為帶有鍵合引線的獨(dú)立芯片與其他基板互連打下基礎(chǔ)，增強(qiáng)了半導(dǎo)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(shè)備上實(shí)現(xiàn)，首先通過引線鍵合機(jī)完成標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合，如圖2所示；然后將引線鍵合的第二焊點(diǎn)與引線框架分離，實(shí)現(xiàn)鍵合引線的懸空，如圖3所示。鍵合引線懸空后對(duì)引線鍵合的第一焊點(diǎn)的引線鍵合強(qiáng)度以及線弧的一致性不產(chǎn)生影響，同時(shí)懸空的第二焊點(diǎn)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，提高了封裝成品率。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)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(shí)施方案以及質(zhì)量控制

2.1工藝實(shí)施方案

鍵合引線懸空的引線鍵合工藝，包括標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備在芯片與引線框架間完成標(biāo)準(zhǔn)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(shí)施方案。

如圖4所示，是本研究的的一種工藝實(shí)施方案，包括芯片4、分離機(jī)構(gòu)1。芯片4通過真空孔固定在焊接基板上，利用引線鍵合設(shè)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(jī)構(gòu)1沿與焊接基板平行的方向8移動(dòng)通過剪切力將焊接引線第二焊點(diǎn)與焊接基板分離實(shí)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(zhì)量控制

如上文所述，鍵合引線懸空的引線鍵合工藝是在標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合后實(shí)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(duì)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(shí)，容易造成二焊點(diǎn)翹曲、線弧高度不一等缺陷，以上缺陷均會(huì)對(duì)后續(xù)鍵合引線與其他基板互連產(chǎn)生影響，因此對(duì)工藝質(zhì)量的控制顯得尤為重要。

本文論述的工藝質(zhì)量控制主要是通過對(duì)剪切分離效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)來實(shí)現(xiàn)的，其中，評(píng)價(jià)分離效果可以用分離后焊線長(zhǎng)度，線弧高度，以及第二焊點(diǎn)的翹動(dòng)量來表征。各表征量如圖5所示。其中，焊線長(zhǎng)度為第一焊接點(diǎn)17與第二焊接點(diǎn)18之間的水平距離20，線弧高度為第一焊接點(diǎn)17與線弧最高點(diǎn)16之間的垂直距離19，第二焊點(diǎn)的翹動(dòng)量為第二焊接點(diǎn)18與測(cè)量基準(zhǔn)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(shí)施后的評(píng)價(jià)參數(shù)，可以根據(jù)使用要求具體確定各表征量的波動(dòng)量。

圖5　分離質(zhì)量表征量

2.3工藝驗(yàn)證

本文選定測(cè)試用劈刀型號(hào)為SPT SU-28165-515E-ZU34，金線線徑選定為20.32 μm，測(cè)試產(chǎn)品為某型號(hào)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(zhì)量表征量為對(duì)象進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合效果如圖6所示，利用剪切機(jī)構(gòu)分離后效果如圖7所示，其中，評(píng)價(jià)分離效果可以用分離后焊線長(zhǎng)度，線弧高度，以及二焊點(diǎn)翹動(dòng)量來表征。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量與統(tǒng)計(jì)后得到：設(shè)置600 μm焊線長(zhǎng)度的焊接引線在分離后焊線長(zhǎng)度波動(dòng)量在13 μm以內(nèi)（鍵合設(shè)備的線長(zhǎng)度精度為±4 μm）如圖8所示，設(shè)置150 μm焊線高度的焊接引線分離后線弧高度波動(dòng)量在10 μm以內(nèi)（鍵合設(shè)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(diǎn)翹動(dòng)波動(dòng)量為13 μm如圖10所示。各項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)引線鍵合　

圖7　某芯片引線懸空

圖8　焊線長(zhǎng)度波動(dòng)量

圖9　弧形高度波動(dòng)量

圖10　二焊點(diǎn)翹曲波動(dòng)量

3　結(jié)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(jiǎn)化封裝工藝，降低封裝成本等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的市場(chǎng)推廣價(jià)值。文中給出了該工藝方法的產(chǎn)生背景，具體實(shí)施方案以及該工藝質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到，該工藝方法具備實(shí)際的可操作性，對(duì)傳統(tǒng)引線鍵合機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造即可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)該工藝方法的質(zhì)量是可控的，各項(xiàng)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(cè)試技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［2］ 劉玉玲.微電子技術(shù)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(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］ 前田和夫.半導(dǎo)體制造裝置［M］.日本：日本工業(yè)調(diào)查協(xié)會(huì)，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(xué)，就職于中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，主要從事高密度集成電路封裝設(shè)備倒裝鍵合機(jī)的研發(fā)，以及封裝技術(shù)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(jié)束后實(shí)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(shí)現(xiàn)了引線框架的循環(huán)利用，節(jié)省了封裝成本。