Kate 引线键合（Wire Bonding）是一种用于将芯片内部的电极与外部引线连接的关键技术，广泛应用于集成电路（IC）封装中。其主要目的是实现芯片与基板或封装之间的电气互连，确保电子设备的正常运行和可靠性。这种传统的引线键合虽然应用比较普遍，但是随着封装技术的发展，也出现了加装芯片键合（Flip Chip Bonding）和硅穿孔（Through Silicon Via，简称TSV）等新的方式。
加装芯片键合也被称作凸点键合（Bump Bonding），是利用锡球（Solder Ball）小凸点进行键合的方法。硅穿孔则是一种更先进的方法。今天，我们先来了解基本的传统的引线键合的方式。
1、键合法的发展历程
为使半导体芯片在各个领域正常运作，必须从外部提供偏压（Bias voltage）（偏压是指在半导体器件中施加的额外电压，这种电压可以影响器件的性能和行为。偏压的主要作用是改变半导体内部的电场分布，从而影响载流子的运动和器件的工作状态）和输入。因此，需要将金属引线和芯片焊盘连接起来。早期，人们通过焊接的方法把金属引线连接到芯片焊盘上。从1965年至今，这种连接方法从引线键合(Wire Bonding)，到加装芯片键合(Flip Chip Bonding)，再到TSV，经历了多种不同的发展方式。引线键合顾名思义，是利用金属引线进行连接的方法；加装芯片键合则是利用凸点（bump）代替了金属引线，从而增加了引线连接的柔韧性；TSV作为一种全新的方法，通过数百个孔使上下芯片与印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）相连。
2、键合法的对比：引线键合和加装芯片键合
芯片键合（Die bonding），作为切割工艺的后道工序，是将芯片固定到基板（substrate）上的一道工艺。引线键合则作为芯片键合的下道工序，是确保电信号传输的一个过程。与引线键合相似的另一种连接方法为加装芯片键合，两者都是使用直径很小的金属物体来连接芯片中的焊盘和PCB上的焊盘（在引线框架下，仅使用于引线键合）的。
相比之下，利用金属引线进行连接的引线键合法有如下几个缺点：
（1）、金属引线比凸点要长，且直径更小，因此传输电信号耗时长；
（2）、由于金属引线的高阻抗，信号很容易失真；
（3）、由于焊颈（solder neck）容易断开、且结合强度相对较弱，因此拉伸强度相对较差。相反，加装芯片键合法虽然操作连接器小锡球有些复杂，但在连接可靠性和电信号传输等方面却有很多优势。
3、什么是引线键合？
引线键合是把金属引线连接到焊盘上的一种方法，即是把内外部的芯片连接起来的一种技术。从结构上看，金属引线在芯片的焊盘（一次键合）和载体焊盘（二次键合）之间充当着桥梁的作用。早期，引线框架（lead frame）被用作载体基板，但随着技术的日新月异，现在则越来越多地使用PCB/DBC作基板。连接两个独立焊盘的引线键合，其引线的材质、键合条件、键合位置（除连接芯片和基板外，还连接两个芯片，或两个基板）等都有很大的不同。
4、引线键合法（Wire Bonding）之热压（Thermo-Compression）/超声波（Ultrasonic）/热超声波（Thermosonic）
将金属引线连接到焊盘的方法主要有三种：
（1）、热压法（thermo-compression method），将焊盘和毛细管劈刀（类似毛细管状的移动金属引线的工具）通过加热、压缩进行连接的方法。热压键合法是提前将芯片焊盘的温度加热到200℃左右，再提高毛细管劈刀尖端的温度，使其变成球状，通过毛细管劈刀向焊盘施加压力，从而将金属引线连接到焊盘上。
（2）、超声波法（Ultrasonic），不加热，将超声波施加到毛细管劈刀上进行连接的方法。超声波法是在楔形劈刀（Wedge,与毛细管劈刀类似，是移动金属引线的工具，但不形成球状）上施加超声波，实现金属引线与焊盘连接的方法。这种方法的优点是工艺和材料成本低；但由于超声波法用易操作的超声波代替了加热和加压的过程，因此键合拉伸强度（bonded tensile strength，连线后拽拉引线时的承受能力）则相对较弱。
（3）、热超声波法（Thermosonic），同时使用加热和超声波的综合式方法。这是目前最常用的方法，它结合了热压法和超声波法的优点。热超声波法将热、压力和超声波施加于毛细管劈刀，使其在最佳状态下进行连接。在半导体的后端工艺中，相比成本，键合的强度更加重要，因此尽管这一方法的成本相对较高，但金丝热超声波法仍是最常采用的键合方法。
五、键合金属引线的材质：金（Au）/铝（Al）/铜（Cu）
金属引线的材质是根据综合考虑各种焊接参数（parameter），并组合成最妥当的方法来决定的。这里指的参数所涉及的比较多，包括半导体的产品类型、封装种类、焊盘大小、金属引线直径、焊接方法，以及金属引线的抗拉强度和伸长率等。典型的金属引线材质有金（Au）、铝（Al）和铜（Cu）。其中，金丝多用于半导体的封装。
金丝（Gold Wire）的导电性好，且化学性很稳定，耐腐蚀能力也很强。早期使用的铝丝的最大缺点就是易腐蚀。而且金丝的硬度强，因此，在一次键合中可以很好地形成球状，并能在二次键合中恰到好处地形成半圆形引线环（Loop，从一次键合到二次键合金丝形成的形状）。
铝丝（Aluminum Wire）比金丝直径更大，间距（pitch）也更大。因此，即使使用高纯度的金丝形成引线环也不会断裂，但纯铝丝则很容易断裂，所以会掺和一些硅或镁等制成合金后使用。铝丝主要用于高温封装或超声波法等无法使用金丝的地方。
铜丝（Copper Wire）虽价格便宜，但硬度太高。如果硬度过高，不容易形成球状，且形成引线环时也有很多限制。而且，在球键合过程中要向芯片焊盘施加压力，如果硬度过高，此时，焊盘底部的薄膜会出现裂纹。此外，还会出现牢固连接的焊盘层脱落的“剥落（Peeling）”现象。尽管如此，由于芯片的金属布线都是由铜制成的，所以如今越来越倾向于使用铜丝。当然，为了克服铜丝的缺点，通常会掺和少量的其他材质形成合金后使用。
六、不同材质引线键合法也不同：金丝VS铝丝
引线键合中毛细管劈刀可以说是最核心的工具。毛细管劈刀，一般使用金丝，楔形键合则使用铝丝。毛细管劈刀是通过形成球状来实现键合的，而楔形键合则无需形成球状。楔形劈刀从形状上就与晶圆末端的毛细管劈刀不同，且连接和切断（tear）引线的方法也不同。
如果说金丝采用的是“热超声波-毛细管劈刀-球”的引线键合法，铝丝采用的则是铝丝楔形引线键合法（Aluminum Wedge Wire Bonding），即“超声波-楔形键合“的方法。铝丝—超声波法由于抗拉强度低，只能在特殊情况下使用，而90%以上的情况采用的都是“金丝-热超声波法”。当然，热超声波法也存在缺点，即球颈（ball neck）脆弱。所以要非常谨慎地管理HAZ(Heat Affected Zone，即在金属引线材质被毛细管的高温稍熔化后，在凝固过程中再结晶的金属引线区域)。
七、引线键合的类型
（1）、球键合
这是进行电气互连的最常用方法。下图显示了球键合过程。
球键合工艺流程
热超声球键合工艺使用连接到金或铝焊盘上的金线。步骤如下：
A、金线穿过陶瓷键合毛细管（针状工具）。然后，高压电荷熔化导线，在末端形成一个金球（自由气球，或 FAB）。
B、接下来，自由空气球在毛细管的尖端形成，工具侧向移动到设备上所需焊盘上方的位置，该焊盘放置在加热表面上。
C、该工具以指定的力将自由空气球压在垫上。超声波能量在球和垫之间产生连接。
D、之后，工具移动到产生针迹键合的第二个焊盘。
E、导线在毛细管的一侧和焊盘之间被压缩。
F、施加的力、超声波和热能形成导线和焊盘之间的连接。
G、通过关闭线夹并将其笔直向上拉，用工具将线拉开。它从毛细管的末端离开导线的小尾部，下一个循环从向该尾部施加高压电荷开始。
（2）、金球碰撞
金球碰撞类似于焊球键合，用于建立 flip-flop 封装的金对金互连。金凸块在晶圆级（用于制造 IC 的半导体薄片）上形成。
金球凸块工艺流程
电气火焰熔化金线并形成自由空气球。自由空气球通过力、超声波和温度的组合连接到垫上。该工具向上移动到特定高度，而不是执行缝合。接下来，撕下电线，工具向上移动。通常，晶圆被切割、翻转，然后用金焊盘热超声粘合。
在球碰撞中，凸块的顶面通常是平坦化的。球碰撞允许堆叠多个凸点。球碰撞通常涉及使凸起的顶面平坦化。这种方法被称为压印，它会产生均匀的凸块高度和平坦的凸块表面，从而增加粘合面积。
（3）、楔形粘合
它是利用铝线键合到铝或金键合垫上的超声波键合。铜楔键合在室温下也会形成牢固的粘合。楔形粘合的工艺步骤如下：
楔形键合工艺流程
通过该工具，一根电线流向楔子。然后以预定的力将导线压在焊盘上。然后，传感器利用超声波能量，平行于基板并沿线轴振动楔块。它在 120-140 kHz 的范围内。在下一步中，工具向第二个键合位置移动。与第一次键合类似，第二次键合是使用力和超声波能量进行的。通过向后拉工具，线夹闭合，电线被撕下。
铝楔粘接
在铝楔焊中，铝仅用作焊线材料。在这里，夹紧的铝线与铝焊盘接触。
通过施加超声波能量，导线在焊盘上压制一定时间，从而在导线和焊盘之间形成第一个楔形键合。通过进一步向导线施加超声波能量形成第二个键合。之后，通过夹住电线将其折断。八、金丝球键合
最常使用的“热超声波金丝球键合法”（Thermosonic Gold Ball Wire Bonding），分为两个键合阶段。一次键合过程：金丝穿过毛细管劈刀正中央的小孔，提高金丝末端的温度，金丝融化后形成金丝球（Gold Ball），打开夹持金属丝的夹钳（用于收放金属引线），施加热、压力和超声波振动，当毛细管劈刀接触焊盘时，形成的金丝球会粘合到加热的焊盘上。完成一次球键合后，将毛细管劈刀提升到比预先测量的环路高度略高的位置，并移动到二次键合的焊盘上，则会形成一个引线环（loop）。
二次键合过程：向毛细管劈刀施加热、压力和超声波振动，并将第二次形成的金丝球碾压在PCB/BCD焊盘上，完成针脚式键合（stitch bonding）。针脚式键合后，当引线连续断裂时，进行拉尾线（Tail Bonding），以形成一尾线（wire tail）。之后，收紧毛细管劈刀的夹钳（即夹住引线）、断开金属引线，结束二次金丝球键合。
以上，就是一次完整键合的过程。整个Wireing Bonding就是这样不断重复的过程，直至一颗芯片的所有引线全部完成后进入下一道工序。
