芯片鍵合中常見問題的研究與分析

黃瑋 崔喬冬 陳廣 江蘇信息職業技術學院

1 引言

隨著信息時代發展，集成電路芯片的重要性日益突顯，在日常生活和工作的方方面面都離不開集成電路芯片。集成電路芯片的生產制造可以分為前道和后道兩大工序。前道工序主要是通過光刻，刻蝕，摻雜等多種工藝工序手段在硅圓片表面得到對應于電路的圖形結構，從而在硅片上建立電路電學連接，實現性能。而后道工藝主要是通過封裝，給芯片加上保護外殼，可以保護內部芯片不易受到損傷，同時也便于裝配，運輸，散熱等等。

在進行后道工序的加工過程中，有一個非常關鍵的核心步驟，就是要將引線框架（保護外殼）的引腳與內部芯片的焊盤焊點相連接，實現電學信號的傳輸，這個步驟就稱為鍵合（bonding）。

2 引線鍵合

隨著集成電路的發展，現如今有了很多新型的封裝形式，但是傳統的引線鍵合并沒有被完全取代，即使在很多高線封裝形式中，也依然存在引線鍵合，如TechSearch International（TSI）的總裁Jan Vardaman說，“閃存、某些新型傳感器都會用到鍵合線，一些封裝實際上有內置的鍵合線。”

在典型的引線鍵合流程中，先將芯片附接在框架上。然后使用引線鍵合設備將導線從系統中的線軸送入細管中，通過加熱等方式使得導線的末端形成一個小球。再用國將焊球焊接在焊接面，實現芯片焊點與框架間的電學連接，如圖1所示。

圖1 芯片中的引線鍵合

引線鍵合中所采用的引線包括金絲、銅絲、金銀合絲、鍍鈀銅絲等引線。其中應用最多的為金絲和銅絲。金絲作為引線有很優點，其化學性質穩定，不容易發生氧化、延展性好有利于加工成適合鍵合的金絲。直到2010，行業內以引線鍵合為基礎的封裝主要使用的還是金線鍵合，但當金價飆升時，鍵合產品由金線向銅線轉移。由于銅比黃金便宜，芯片制造商的封裝成本得以降低。

銅絲的導電性非常好，但是銅材料本身極易發生氧化，所以在鍵合的過程中很容易發生斷絲，所以在鍵合過程中，一般每48小時都要換一次線。

目前的引線鍵合中約有70%采用的是銅絲，剩余的以金絲與銀絲為主，例如在汽車電子領域金絲應用依然很普遍，而在內存封裝中也經常會用到銀絲。

3 引線鍵合中常見問題

在進行鍵合的過程中，會出現一些問題。

3.1 EFO打火桿高度不合適

打火桿是通過尖端高壓放電，使金絲等引線材料融熔成球的過程。打火桿的高度必須要 在合適的高度，以確保焊針尖端就在EFO打火桿尖端的上面。從打火桿尖端中心到引線材料表面的距離應該在6.86mm左右，一般可接受的范圍是6.60～7.11mm。

如果打火桿高度不在范圍內，需要進行調整，在焊機設置中移動夾鉗，使EFO打火桿被定位在夾鉗的平面上方，在EFO打火桿和夾鉗表面之間插入一個墊片，并通過各方向調節螺絲，使打火桿達到合適高度，停在墊片上，可以根據實際情況，選取不同厚度的墊片，以滿足打火桿的高度要求。

3.2 NSOP錯誤

NSOP是指Non-stick on pad，也就是焊盤不粘的情況，可能是焊線焊接時出現焊盤不粘或者是成球焊接時出現芯片焊盤不粘。在加工過程中，NSOP錯誤有真NSOP錯誤和假NSOP錯誤兩種。

引發NSOP報錯的可能原因有很多，假如在焊接初始接觸時的壓力值不合適，就會影響到焊球形狀，導致NSOP報錯；焊接焊墊如果沒有正確固定，或者芯片出現翹曲，就會影響到焊接的平整性和平坦度，導致報錯；假如出現芯片上的焊盤受到污染，或者焊接引線受到污染，或者是芯片表面金屬化的完成度有問題等情況，也會導致出現NSOP報錯。

當出現真性錯誤時，首先根據上述可能原因去查找問題，確定問題所在后，及時進行針對性處理，例如校正焊墊夾具，檢查焊針，焊接引線，根據情況清潔或者更換物料，手動補焊等，檢查流程可以參考圖2。

圖2 NSOP的解決方法

但是有時在操作運行過程中也會出現假的NSOP報錯情況，可能是由于不同芯片的阻抗變化或電容變化不同而導致的，排查出是假性錯誤時，一般可以直接繼續操作，如果在不同芯片加工時持續出現假性錯，可以暫時關閉BITS系統（焊接完整性測試系統）。

4 結論

本文主要介紹了芯片引線鍵合，以及在鍵合操作過程中常見的問題，通過分析導致問題的可能原因，從而進一步提出了排查及解決問題的主要方法。