芯片封装中的打线键合（Wire Bonding）

一、什么是打线键合（Wire Bonding）？

打线键合就是将芯片上的电信号从芯片内部“引出来”的关键步骤。我们要用极细的金属线（多为金线、铝线或铜线）将芯片的焊盘（bond pad）和支架（如引线框架或基板）之间做电连接。

可以理解为：

“芯片是大脑，但得靠血管（引线）把信号输送出去，不然再聪明也干不了事。”

二、打线键合的核心目的：

建立电连接：芯片内部与封装外部间的信号通道

提供可靠性：满足电性能、机械稳定性要求

保证生产良率：为后续封装打好基础

三、打线键合的类型

虽然有多种方式（例如热压键合、超声键合、热超声复合键合等），这里我们主要讲的是热超声金线球焊（Ball Bonding），这是最常见的一种，特别适合铝焊盘+金线的组合。

四、打线键合的完整9步流程（一步一步讲清楚）

✅ 步骤 1：准备金线

金线从打线机线轴中牵出，经过打线劈刀（Capillary）底部，露出短短的线尾。

✅ 步骤 2：形成“自由空气球”（FAB）

打线机会用“放电”的方式，在金线尾部打出一个金球。这个球是在空气中自然形成的，因此叫自由空气球（Free Air Ball）。

就像是用电火花把金线的尾端熔掉形成一个金珠。

✅ 步骤 3：压球到芯片焊盘

劈刀带着金球对准芯片上的焊盘（bond pad），缓缓向下压，让金球和焊盘贴合。

✅ 步骤 4：完成第一个键合点（金球键合）

压好后，打线机会开始施加：

一定的压力

一定量的超声波振动能量

控制作用时间

这样做的目的是让金球与芯片焊盘之间的金属发生塑性变形+微观摩擦焊接，最终牢牢焊在一起。

✅ 步骤 5：拉金线

劈刀抬起，同时拉动金线，从芯片焊盘开始画出一段弧形线，将线带到目标点：支架的焊盘（lead/frame pad 或 PCB pad）。

✅ 步骤 6：压线到支架焊盘

劈刀移动到支架焊盘位置，再次往下压线。

✅ 步骤 7：形成第二个键合点（鱼尾键合）

再次施加：

压力

超声能量

时间控制

这次不是压球，而是将金线压成“鱼尾”状贴附到支架焊盘上，完成第二端焊接。

✅ 步骤 8：切线并保留线尾

劈刀继续抬起，并在移动中切断金线，在支架焊盘上留下“鱼尾”，同时在劈刀口留下新的线尾，为下一根线准备。

✅ 步骤 9：循环进行下一根线的键合

回到第1步，周而复始，直到所有焊盘都连线完成。

五、打线工艺的四大核心参数

参数	作用	举例说明
温度（Bond Temp）	提高金属塑性，改善焊接效果	一般为100~150°C
压力（Bond Force）	保证足够接触和变形	太小焊不牢，太大会压坏焊盘
超声能量（Ultrasonic Power）	引发金属分子间摩擦/扩散	控制能量大小避免“虚焊”或“飞线”
超声时间（Bond Time）	决定超声作用时长	配合能量使用，不能太短或太长

六、打线质量的关键控制点

1️⃣ 金球尺寸控制：

金球直径通常为60μm

厚度约20μm

太大易短路，太小焊接不牢

2️⃣ 接合强度测试：

剪切力（Shear/Push Force）：芯片端金球推力 > 20克

拉力（Pull Force）：整条线拉断前应 > 109克力

这些测试是验证焊点强度是否达标的标准动作，不能忽略。

七、环境和工艺注意事项

⚠️ 1. 湿气控制：

若打线作业延迟超72小时，要进行低温烘焙，把吸附的湿气烤掉

否则在封装注塑（Molding）时，水汽膨胀会导致封装开裂或界面脱层

⚠️ 2. 表面洁净性：

焊盘若有污染或氧化层，会直接导致打线失败（金球脱落、鱼尾不粘）

必要时可使用等离子清洗机进行表面活化处理，恢复焊接性

八、打线后的可靠性隐患有哪些？

问题现象	可能原因	解决办法
金球脱落	焊盘氧化、温度低、超声不足	表面清洁、调整参数
金线断裂	金线受损、弧度过大	优化拉线路径、换线材
鱼尾翘起	压力不足、支架氧化	加压、清洗支架表面
接触电阻大	焊点不饱满、焊接不牢	调整球径、超声能量

九、打线在整个封装流程的位置

1. 晶圆切割 → 2. 芯片贴片 → 3. 银胶烘焙  
→ 4. 打线键合 → 5. 封装成型 → 6. 电性测试 → 7. 成品分选

总结

打线键合是芯片封装中最细致、最关键的工序之一，涉及机械精度、材料性能、热/超声参数控制等多方面的综合考量。金线虽细如发丝，但却承担着整个芯片与外部世界沟通的重任。

简单说就是：“金线细如丝，失误毁整批。”