超声波焊接在集成电路

超声波焊接在集成电路 （IC）制造和封装中，主要应用于两个关键环节：引线键合和某些特定类型的互连。它是一种利用高频机械振动能量在固态下实现金属连接的方法，特别适合对温度敏感的微型电子元件。

以下是超声波焊接在集成电路领域的具体应用和特点：

1. 引线键合：

• 应用：这是超声波焊接在IC封装中最核心的应用。用于将芯片上的焊盘与封装基板或引线框架上的引脚用细金属丝连接起来。
• 工艺过程：
  * 使用非常细的金线、铝线或铜线（直径通常在15µm到50µm之间）。
  * 焊头（毛细管劈刀）将金属丝末端压紧在芯片的铝或金焊盘上。
  * 施加高频超声波振动（通常20kHz – 60kHz或更高），方向平行于焊盘表面。
  * 振动产生的摩擦热和塑性变形破坏焊盘和金属丝表面的氧化层、污染物，使纯净金属紧密接触。
  * 在压力和超声能量的共同作用下，金属丝与焊盘之间在固态下形成原子扩散结合（冷焊）。
  * 然后，焊头移动到基板或引线框架的对应焊点上，重复上述过程形成第二个焊点，完成一个连接回路（通常是拱形或楔形）。
• 优势：
  * 低温工艺：主要热量由摩擦产生且集中在界面，整体温升远低于熔焊（如热压焊、热超声球焊），非常适合连接对温度敏感的芯片（如某些CMOS器件、MEMS传感器）和低熔点基板材料。
  * 固态连接：不形成熔池，避免产生金属间化合物、脆性相或气孔等熔焊常见缺陷。
  * 无焊剂： 超声波能量能有效清除表面氧化层，无需使用化学焊剂，避免残留物污染和腐蚀风险。
  * 高速、高精度：现代引线键合机速度极快（每秒可完成10个以上焊点），精度在微米级。
  * 材料兼容性：尤其擅长连接铝焊盘（铝极易氧化，熔焊困难），也广泛应用于金、铜焊盘。
  * 常见类型：
  * 超声楔形焊：第一个焊点和第二个焊点都使用超声波焊接形成楔形连接。常用于铝线键合。
  * 热超声球焊：第一个焊点（在芯片上）是通过电火花在金属丝端形成球，然后利用超声波+热量+压力将球焊到焊盘上（本质是热超声焊接）；第二个焊点（在基板/引线框架上）则通常使用超声波楔形焊。这是金线键合的主流方法。这里的超声波对于破坏表面氧化层、促进扩散至关重要，热量（通常150°C-250°C）则辅助降低所需的超声能量和压力。

2. 其他互连应用：

• 功率器件连接：在IGBT、功率MOSFET等大功率器件封装中，超声波焊接可用于连接较粗的铝带或铜带（替代多根细线），以承载大电流。这通常称为“Ribbon Bonding”或“Clip Bonding”。
• 倒装芯片底部填充前的临时固定：有时在倒装芯片工艺中，会先用微小的超声波焊点将芯片临时固定在基板上，再进行底部填充胶的固化。
• 特殊互连结构：在某些MEMS器件或先进封装中，超声波焊接可能用于特定的金属-金属直接互连。

超声波焊接集成电路的关键考虑因素：

* 参数控制：超声功率、压力、焊接时间必须精确控制，以确保焊点强度（剪切力、拉力）和可靠性（无芯片破裂、焊盘剥离），同时避免过度焊接导致金属疲劳或断裂。
* 表面状态：焊盘表面清洁度和平整度对焊接质量至关重要。
* 设备精度：需要高精度的键合机确保焊点位置的准确性。
* 材料匹配：金属丝/带与焊盘材料的硬度、延展性等需匹配良好。

总结：

超声波焊接（特别是引线键合）是集成电路封装中不可或缺的核心工艺技术之一。它凭借其低温、固态、无焊剂、高速高精度的特点，完美解决了在微型化、高集成度、温度敏感的芯片上实现可靠电气互连的难题。虽然热超声球焊结合了热量，但超声波能量在破坏氧化层、实现原子间扩散结合方面仍然发挥着核心作用。在功率器件、铝线键合以及一些特殊应用中，纯超声波焊接或粗线/带超声波焊接也具有独特优势。

对于集成电路而言，超声波焊接主要发生在封装阶段，用于建立芯片内部电路与外部封装引脚之间的电连接桥梁。

联系电话：18918712959