在半导体和整个电子工业中，趋势无可争辩地继续朝向封装、元件和模块的进一步小型化，同时也增加其功能性。这个趋势挑战着后端装配工艺，高密度封装在精度和速度上给设备和工艺带来压力，特别是对于引线接合(wire bond)工艺。本文将综述把芯片连接到封装外部接触点的工艺。

引线接合工艺
　　在引线接合工艺中使用了不同类型的引线：金(Au)、铝(Al)和铜(Cu)。金和铝两者都是高导电性的，并有足够的塑性来承受在接合工艺期间的变形，同时保持强度和可靠性。每一种材料都有其优点和却点，通过不同的方法来接合。
　　经济上的考虑，以及各种电气上的优点(良好的热与电传导率、较低的金属间化合物增长和较高的刚性)，是推动将铜引线用于增强应用的力量。芯片制造公司，与设备供应商一起，开始用铜引线接合工艺进行大批量的生产。

铜引线接合
　　对于一个可靠的超密间距(ultra fine-pitch)铜引线工艺的关键是圆形的、可再生的无空气(free-air)球的形成。为了防止无空气球氧化，在尾部电子燃烧熄灭(EFO, tail-electronic flame-off)的叶片区域周围，在燃烧熄灭(flame-off)期间应该建立惰性气氛。考虑到较硬的铜引线，它会在芯模焊盘上引起较多应力和增加在基板上的表面氧化，所以必须考虑特殊的接合工艺。要求在接合程序中设定可编程双阶段接合力和超声波轮廓，来增强球和榫的接合触点。与接合工艺一起，还应该考虑毛细管设计，以达到接合的高品质。

金球引线接合(Gold Ball Wire Bonding)
　　对于封装互连部分，金球引线接合设备构成固定资产投资的最大部分。金引线比其它接合材料具有许多优点。金是现有最好的室温导体，具有杰出的传热性。它的特性大大地限制了氧化和腐蚀，确保在无尘室条件下得到一个可靠的引线接合工艺，而不要求保护性气氛。
　　热声引线接合器工艺要求热、超声功率和力。金球和芯片焊盘上的铝在热作用下，同时施加超声功率，压到一起去。结果得到金属间的连接(熔焊)。对于基于铜引线框架的元件，典型的接合温度大约为180-250°C。有机基板(BGA)要求低温，大约100-150°C。在相同的频率上较高的超声功率补偿较低的接合温度，以保证坚固和高剪切力值(接合的球从铝焊盘上移开所要求的力)。在今天的生产中最常使用的金引线是25微米(1 mil)。
　　引线接合是一个复杂的装配操作。几百根引线必须完美地定位在芯片上，并焊接到外界。由于更高的集成化，芯片焊盘之间的距离变得越来越小。一个接合球到焊盘的失误都会造成故障连接，戏剧性地减低生产效率。金球引线接合的灵活性和可靠性使它成为最广泛使用的技术。


循序渐进的接合工艺
　　在硅片安装到引脚框架(leadframe)或基板之后，互连工艺开始了。引线接合器将金球焊接到芯片上，把细小的金线连接到引脚并接合。
　　安装好芯片的元件在引线接合器的加工区首先放好并向下固定(机械地或通过真空)，加热。一个安装在接合头上的相机在加工区元件上方移动，寻找基板和芯片上的已知图案。在图案(眼点)找到后，对准定位。同时，手指探测器也用来定位引脚的中心，以保证精确的榫(wedge)贴装。
　　在对准定位完成之后，球与榫位置的所有坐标都精确地定义个对中。现在引线接合器准备开始接合工艺，把芯片上的接合焊盘与基板上的引线手指连接起来。

生产灵活性
　　今天的全自动引线接合器设备的灵活性允许快速和安全的从一种产品材料转换到另一种。要改变生产负荷，如有必要，在引线接合器的新配方可改变金引线和毛细管，并开始新的生产。今天的设备能够毫无困难地处理要求经常变化到不同产品的小批量，以及大批量生产。
　　编程一个新的接合配方正变得容易，因为有PC离线编程工具。在一短时间内，这些工具允许操作员在生产场所之外(如在办公室)的PC上建立一个引线接合配方。因此生产可以继续，因为没有哪种引线接合器必须停止生产来编程新材料的参数。有了这种新的离线编程工具，制造商提高了其反应能力，因为新的接合配方可以在新的材料到达工厂之前输入。另外，接合配方可以容易地分发和传送到其它机器。


由于全面的校准概念，在所有的机器上可以达到相同的生产结果。重要的接合工艺参数，如接合力和超声能量，正用外部设备进行校准，以保证相同的静态与动态性能。
　　在过去几年，设备的生产率已经有重大提高。今天，生产中的引线结合器基本上具有相同的性能。金引线接合器工艺的资产成本比其它互连工艺要低得多。

设备要求
　　超密间距接合(ultra fine pitch bonding)：今天引线接合进步的推动力是生产力和超密间距接合。几年前几乎不可能的东西今天成为了标准。芯片上从焊盘中心到焊盘中心的50微米距离现在可能了。工业要求设备供应商提供能够接合35微米焊盘的设备。这要求更小的球尺寸和更准确的贴装，这样一来引线不会相碰。接合好的球必须完全处于焊盘之内(焊盘越小越好)。因为只有有限数量的接合焊盘可以沿芯片周围安装，所以有些元件已经交错排列接合焊盘。


成功的超密间距接合要求许多条件，包括一致的无空气球的成形、闭环接合工艺控制、低于4µm的球放置精确度、高生产率、高频率、精确的与可重复的引线连结、和灵活的材料处理。
　　一致的无空气球的成形：电子火焰熄灭(EFO, electronic flame-off)单元的精确控制的电流/电压对无空气球(free-air ball, 在接合工艺中实际成形之前的熔化球)的形成有直接影响。EFO产生熔化金引线的尾端形成小球的火花。
　　闭环接合工艺控制：不变的球与榫的尺寸对于连接品质是重要的。所形成的球尺寸稍微的变化都会造成合格率损失。在接合期间，接合力，以及超声波能量，是闭环控制的(即施加的接合力是按照预设定的值检查和控制的)。这个接合力和超声波能量的过程控制系统一相同的方式精确地成形每一个球和榫；它保证在芯片焊盘和引线手指上的球和榫的最佳连接。
　　4µm以下的精确的球贴装(3σ)：考虑到超密间距的工业需求，球贴装是一个关键的因素。想象一下一个45µm的芯片焊盘开口，放一个35µm的接合球：定位该球的贴装范围只有±5µm。大多数精密的接合贴装可以通过使用空气轴承(air-bearing)技术达到。空气轴承没有象线性轴承的滑动粘附现象(当静态摩擦突然出现时的不可预见的接合头停顿)。空气轴承的接合头准确地停在正确的位置，不管速度如何。高分辨率的直接X/Y/Z位置测量和一个精密的焊盘识别系统是准确的球贴装的另外前提。另外，在设备上的温度补偿系统最后补偿接合头零件的温度膨胀，以防止几个微米的贴装偏移。在机器内使用的闭环贴装纠正，在作超密间距接合时，纠正最后的误差。
　　生产率：放置引线的循环速度可以低于75毫秒。可是，除了每小时单位数量还有更多需要考虑。正常运行时间、设定时间、和维护时间都可影响设备总的生产率。可选择的视觉接合检查会降低生产率，它在线检查引线的直线度、线环高度和贴装精度。可是，它监测装配元件的品质，当处理较高价格元件时，较低的生产率也是合理的。
　　高频率：BGA封装中持续的趋势产生对较低接合温度的需求。在接合工艺中应用的超声波频率增加可以补偿温度的下降。125kHz是一个理想的接合频率。
　　连结：为了满足现在生产中超密间距的要求，精密的和可重复的引线连结是需要的。基本的是，在接合头上的毛细管完成球与榫之间准确的轨线。任何缠绕的和松弛的引线都会产生相邻引线之间的短路。由于IC的缩小减少了硅的大小，较长的引线自动地补偿到榫座的较长距离。这是一个挑战，考虑细小的引线和放置引线的高速度。另一方面，对于CSP，要求很短的引线连结，保证小型的封装尺寸。对于特殊应用，要求低引线连结，最大高度小于80µm，以得到很薄的封装。
　　材料处理：在自动引线接合设备上，料盒(Magazine)处理器将料盒拾取，带到分度器(Indexer)。然后基板被推出到分度器的导轨之间。分度器将引线框架传送到完全可变程的工件夹具，该夹具在接合期间将框架固定在位。在接合之后，工件移动到一个输出堆叠料盒内。现在的市场要求引线接合器上灵活的材料处理器，为独特的BGA(船用)、光电材料处理和陶瓷材料处理提供用户化的解决方案。

展望
　　还在推动引线接合器技术进步的一个因素是小型化。35µm超密间距能力已经在实验室试验成功。这个新的基准对引线、毛细管和设备的供应商是一个挑战。接合球尺寸的小型化是一个关键因素。
　　随着引线接合迫近其物理极限，挑战就是要维持工艺的可靠性和标准的工艺控制，同时提高生产率。因此，对于不久的将来，将要把努力放在优化接合工艺和提供更好的材料，得到更多超出机器的性能。另外，需要接合的应用种类在增加(SBGA, PBGA, QFN, MCM等)，市场要求在同一平台上有不同的生产解决方案。最后，虽然铜接合已经在一些主要的制造商生产中运行，它对不久的将来还会出现很大的挑战。