在制造晶圆结束前的每一个工序中，每个晶圆上连接着500至1200个芯片（也称为晶粒）。为了将这些芯片应用到需要的地方，晶圆需要被切割成单独的芯片，然后与外部连接并通电。在这一过程中，连接电路的方法被称为引线键合（Wire Bonding）。实际上，使用金属引线连接电路的方法已经是非常传统的方法，目前已经越来越少被采用。近来，加装芯片键合（Flip Chip Bonding）和硅穿孔（Through Silicon Via，简称TSV）正逐渐成为新的主流技术。加装芯片键合也称为凸点键合（Bump Bonding），采用锡球小凸点进行键合。而硅穿孔则是一种更先进的方法。
为了更好地理解键合的基本概念，在本文中，我们将重点讨论引线键合，这一传统的方法。
图1. 键合法的发展史：引线键合→加装芯片键合→硅穿孔
为了确保半导体芯片在各个领域正常运行，必须从外部提供偏压（Bias voltage）和输入信号。因此，需要将金属引线与芯片焊盘连接起来。早期，人们通过焊接的方法将金属引线连接到芯片焊盘上。
自1965年至今，这种连接方法经历了多种不同的发展方式，从引线键合（Wire Bonding）到加装芯片键合（Flip Chip Bonding），再到TSV技术。
引线键合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）代替金属引线，增加了连接的柔韧性；而TSV作为一种全新的方法，通过数百个孔将上下芯片与印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）连接在一起。
引线键合(Wire Bonding)和加装芯片键合(Flip Chip Bonding)
图2. 引线键合VS加装芯片键合的工艺
芯片键合作为切割工艺的后续步骤，是将芯片固定到基板（substrate）上的一项工艺。引线键合则作为芯片键合的下一步工序，是确保电信号传输的关键步骤。另一种类似于引线键合的连接方法是加装芯片键合，这两种方法都使用直径非常小的金属物体来连接芯片中的焊盘和PCB上的焊盘（在引线键合中仅限于引线框架）。与引线键合相比，使用金属引线连接的方法存在以下几个缺点：金属引线较长且直径较小，导致电信号传输延迟较长；由于金属引线的高阻抗，信号容易失真。此外，由于焊颈容易断开且结合强度相对较弱，拉伸强度相对较差。相反，虽然加装芯片键合方法中操作连接器小锡球有一定复杂性，但在连接可靠性和电信号传输等方面具有许多优势。
图3. 引线键合的结构（载体为印刷电路板（PCB）时）
引线键合是一种将金属引线连接到焊盘上的技术，用于连接内部和外部芯片的方法。在结构上，金属引线在芯片的焊盘（一次键合）和载体的焊盘（二次键合）之间起到桥梁的作用。在早期，引线框架（lead frame）被用作载体基板，但随着技术的不断进步，如今越来越多地使用PCB作为基板。连接两个独立焊盘的引线键合涉及引线的材料、键合条件、键合位置（不仅连接芯片和基板，还可能连接两个芯片或两个基板）等方面的显著差异。
图4. 引线键合法
金属引线连接到焊盘的方法主要有三种：热压法（thermo-compression method）、超声波法（Ultrasonic）和热超声波法（Thermosonic）。热压法是通过加热和压缩将焊盘和毛细管劈刀（类似于毛细管状的移动金属引线工具）连接在一起的方法。首先将芯片焊盘预热至约200℃，然后加热毛细管劈刀尖端使其成为球状，最后通过施加压力将金属引线连接到焊盘上。超声波法是在楔形劈刀（类似于毛细管劈刀但不形成球状）上施加超声波，实现金属引线与焊盘连接的方法。这种方法的优点在于工艺和材料成本较低，但由于超声波取代了加热和加压的过程，因此键合的拉伸强度相对较弱。热超声波法结合了热压法和超声波法的优点，是半导体工艺中最常用的方法。通过同时施加热、压力和超声波于毛细管劈刀，使其在最佳状态下进行连接。在半导体的后端工艺中，键合的强度比成本更为重要，因此尽管热超声波法的成本较高，但金丝热超声波法是最常采用的键合方法。金鉴实验室作为一家提供检测、鉴定、认证和研发服务的第三方检测与分析机构，致力于为汽车产业链提供创新的品质解决方案，提升中国制造的质量水平。金鉴实验室能够为集成电路、PCB/PCBA</svg>");">、电子辅料等提供全面的性能检测、可靠性验证和失效分析服务，并根据不同产品测试需求制定合适的测试方案，提供一站式解决方案。金属引线的材质选择是根据综合考虑各种焊接参数，并结合最适当的方法来确定的。这些参数涉及多个方面，包括半导体产品类型、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与信赖度相关的指标。常见的金属引线材质包括金（Au）、铝（Al）和铜（Cu）。金丝通常用于半导体封装</svg>");">中。金丝具有良好的导电性、化学稳定性和抗腐蚀能力。相比之下，早期常用的铝丝容易受腐蚀。金丝硬度较高，在一次键合中可以形成良好的球状，并在二次键合中形成适当的半圆形引线环（Loop）。铝丝比金丝直径更大，间距也更大。即使使用高纯度金丝形成引线环也不易断裂，但纯铝丝容易断裂，因此通常会掺入硅或镁等合金元素。铝丝主要用于高温封装（如Hermetic）或无法使用金丝的超声波法等场合。铜丝价格便宜，但硬度太高。硬度过高会导致难以形成球状，且在形成引线环时存在限制。在球键合过程中需要施加压力到芯片焊盘上，硬度过高会导致焊盘底部薄膜出现裂纹，甚至引发焊盘层的“剥落”现象。尽管如此，由于芯片金属布线通常采用铜制，因此越来越多地选择铜丝。为克服铜丝的缺点，通常会掺入少量其他材料形成合金后使用。在引线键合过程中，毛细管劈刀可以说是最关键的工具。通常，毛细管劈刀用于金丝键合，而楔形键合则使用铝丝。毛细管劈刀通过形成球状来实现键合，而楔形键合则无需形成球状。楔形劈刀在形状上与晶圆末端的毛细管劈刀不同，并且连接和切断引线的方法也不同。
金丝通常采用“热超声波-毛细管劈刀-球”引线键合方法，而铝丝则采用铝丝楔形键合法（Aluminum Wedge Wire Bonding），即“超声波-楔形键合”的方法。由于铝丝的抗拉强度较低，只能在特殊情况下使用，因此在90%以上的情况下会选择“金丝-热超声波法”。
然而，热超声波法也存在缺点，即球颈容易变脆。因此，需要非常谨慎地管理热影响区（HAZ，即在金属引线材质被毛细管高温稍微熔化后，在凝固过程中再结晶的区域）。
图5. 一次键合：在芯片焊盘上的球引线键合
最常用的“热超声波金丝球键合法”（Thermosonic Gold Ball Wire Bonding）通常分为两个键合阶段。在一次键合过程中，金丝穿过毛细管劈刀中央的小孔，金丝末端被加热至融化形成金丝球（Gold Ball）。随后，释放夹持金属丝的夹钳，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，从而形成一个引线环（Loop）。
图6. 二次键合：PCB焊盘上的针脚式键合
在二次键合过程中，施加热、压力和超声波振动到毛细管劈刀，将第二次形成的金丝球碾压在PCB焊盘上，完成针脚式键合（stitch bonding）。针脚式键合后，若引线连续断裂，进行拉尾线（Tail Bonding），形成一尾线（wire tail）。随后，收紧毛细管劈刀的夹钳（夹住引线）、断开金属引线，结束二次金丝球键合。
今天，我们主要讨论了引线键合法与材料之间的相互作用，以及引线键合的具体方法。尽管本文仅简要介绍了可靠性和引线键合中可能出现的问题，但需要铭记，在引线键合过程中，发现问题并找出解决方案的重要性。理解各种因素之间的权衡关系至关重要。
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