打線接合技術
大辯論：球形技術對楔形技術
Donald J. Beck, Albert C. Perez, Palomar Technologies, Inc.
多年以來，微電子打線接合製程以及封裝工程師便一直爭論著該使用球形或是楔形接合技術，尤其是搭配射頻(RF)設計與細節距封裝使用時。雖然球形接合更快速與更穩固的特性是無庸置疑的；然而，由於短卡(low-profile)內連線或細節距的設計有所需求，致使楔形接合仍持續支配著關鍵的市場。另一個主要以楔形接合為主的區域是在針腳式內連線或者晶片與晶片間接合的時候必須使用。隨著先進發光二極體(LED)設計發展成熟，這些需求近來亦大幅增加。
背景
第一個打線接合器是在1957年所設計出來，是屬於熱壓式的楔形接合器。在1960年代前期，開始引入超音波楔形接合技術；而熱音波楔形接合則是在1970年首次被使用。在這些楔形接合設備間有數項共同的特徵被存留下來，例如經由壓接工具進行導線填充以及在壓接工具後配上線夾。儘管現今的楔形接合設備依然是藉由壓接工具來進行導線填充，不過已與過去的設備有著極大的差異。
目前有兩種類型的楔形接合設備，一種是利用楔形工具以60度角裝填導線；第二種則是以90度角裝填導線。圖一所展示的是一基本的90度角楔形接合程序。因為是經由楔形壓接工具進行導線裝填，所以第一次與第二次的接合都必須是呈直角，而這也使得產出率下降。此外，楔形接合器的線夾位於壓接工具之後，此設計大幅增加了需要達成第二次接合與尾端脫離的限制區範圍。
多年後，第一部球形接合機才被引入，其利用氫火燄燃燒導線末端(尾部)使成為球形，從此相關的重要特色持續發展進步。舉例來說，現今的球形已是以一個電極強力撞擊導線尖端來形成。在所有球形接合設備設計上有一些共同的特徵，包括線夾置於接合工具(毛細管)的上方以及利用陶瓷毛細管(接合工具)的中心進行導線裝填。圖一即說明了楔形與球型兩種接合方法。
自動化打線接合機則是在1980年代早期引入。當時，多數內連線是以鋁導線製程。隨著對可靠性需求的提升，金導線變得越來越普遍。此外，封裝密度的增加使得導線內連線接合的節距下降，而一開始用來解決細節距的方法便是使用楔形接合技術，因為楔形工具的設計可允許導線被連接在鄰近區內(側邊對側邊)。
細節距內連線
對於在更小的空間中進行更多封裝的需求已經使得ASIC設計變得更密集。楔形接合方式一度被認為是進行內連線細節距封裝的最佳方法。在1990年代晚期，典型的接合節距可由近似110微米下降至大約90微米。在此期間，平均楔形壓接工具的尖端寬度大約僅有球形接合毛細管工具尖端寬度的三分之一，而且毛細管材質較缺乏堅固性，難以支撐細節距的製作程序。從那時起，使用材質改良過的毛細管來進行尖端尺寸小於70微米的細節距設計便漸漸普及起來。
欲達成更小的尺寸特徵、更高的密集度以及增加的輸入/輸出，我們需要使節距做得更細。在目前的細節距環境中，任何使用楔形接合機接合的元件都可以利用球形接合設備使其接合速度更快。圖二所示為以1.0密爾導線利用球形接合方式所構成的55微米細節距內連線結構。
IC對IC內連線
需要用到由IC對IC(晶片對晶片)或是由基材對IC(逆向接合)的內連線設計一般常需要使用到楔形接合機。這是因為楔形壓接工具不像毛細管接合工具，它不能與接合表面接觸。在球形接合中，當內連線終端以球狀物連接時，會有超過50%的接合工具與表面接觸，這會使得表面金屬化受到干擾。
藉由防護或是安全性的設計便可對付此問題，亦即利用球形接合機的接合方式可以將球形凸塊覆蓋住彎處來封住會受干擾的金屬；或者是在第二次接合結束前，以晶片上的凸塊產生隔離式的編結結構(stand-off-stitch，SoS)(如圖三所示)。終端的SoS結構能在導線與IC金屬化之間留下一個空隙，用以保護主動式元件銲墊的金屬化，並為彎處的接合提供單一金屬式的內連線，以及產生優良的破壞性拉拔結果(導線切斷)。
鏈狀接合
楔形接合的最後重點在於與射頻封裝接軌，其中導線內導線會因與鄰近銲線產生電感作用而發生寄生性的損失，以至於造成訊號干擾的情形。實際上，銲線就如同個別的電感，在射頻中銲線的影響遠比數位式中的影響顯著，並且在元件設計中應該被說明。
為了達成楔形接合射頻元件的優點，同時又能使接合的速度與可靠度最大化，以及降低球形接合機的限制空間；鏈狀式連結因而被開發。此部份技術是利用射頻測試工具，以球鍊形接合技術取代楔形內連線來證實其效果。測試的目的是為了以成熟的封裝設計來評估球鍊形接合的方法，所選擇的部分屬於組裝的高頻電晶體，其所有封裝內連線均為楔形。受到楔形接合設計指引與壓接工具間隙的影響，組裝的楔形電晶體(wedge transistor assembly，WTA)封裝需要三種不同的導線尺寸(1.0密爾、1.3密爾以及1.5密爾)。目前的分析建議所有導線都可以用1.5密爾的球鍊形內連線來取代，如此可以減少數個製程步驟。這些評價是由幾個部份所組成，包括審視客戶提供的材料，執行客戶使用金膜(gold coupons)封裝設計的離線測試，執行毛細管測試，和鑑定適當的設計、打線接合的客端，以及合適的迴圈與接合參數(利用目測和導線拉力測試)與打線接合的主端。
在毛細管測試期間，會發生低破壞性的拉力測試失效情形，每一個案例中彎處的斷裂定義為低拉力值，故鏈狀接合被認為可能並不適合用標準毛細管的設計。從SEM圖可明顯觀察到表現出的應力，其中導線在彎處引出。
基於這些結果，可改用變換的毛細管設計以產生好的鏈狀內連線，這些是同時一起脫離以進行終端接合。圖四顯示已改良後的接合工具設計所做成的一個典型鏈狀內連線接合。
為了減緩任一個有關於此變換的毛細管所隱藏的問題，數個內連線測試工具是使用1.0密爾導線組裝起來，並且進行高溫烘烤測試。每一個測試工具均由56個鏈狀內連線接合在厚的金膜上所組成，烘烤測試則是將測試樣品暴露在300℃一個小時；此加速測試大致相當於在125℃暴露1,000個小時。在烘烤測試的前後，每個Mil-Std-883、方法 2011的破壞性拉力測試遍及數個測試工具是用來進行樣品檢查。圖五表列這些測試結果，顯示所有的失效發生在中幅的導線斷裂處。
楔形與球形接合機在使用鏈狀接合時的競爭
最後的步驟是去處理客戶提供的射頻傳送器組裝。圖六說明成功的末端項結果。在球形接合機上進行鏈狀接合可利用單一種直徑的導線成功地做成這些射頻元件的內連線，但是楔形接合卻需要使用三種不同大小的導線。毫無疑問地，球形接合的速度較快，並且需要的限制區空間較少。
使用正確的設備執行編結便能夠與射頻元件相互連結。但是否所有關於內連線的開始步驟都必須使用楔形工具呢？在這些例子中，每一個內連線均是以球形工具開始，而利用彎處做為終結。這就是球形接合機至今仍一直有其功效的原因。
由於軟體發展讓使用者以編結方式開始製作內連線。這種程序利用了預先安排好的導線長度開始製作，而在壓接工具下方突出；接著，壓接頭完成安排好的佈局以形成第一個針腳並完成接合動作。此程序已成功地顯示出其遵守目測標準，即定義了每個Mil-Std-883、方法 2017，其指出楔形接合在寬度上應該會是大於1.0倍的導線直徑或小於3.0倍的導線直徑。
此技術能讓使用者以金之外的其他導線材質進行內連線。由於沒有球形物，故可使用鋁或甚至是銅的導線來進行接合，就好比使用楔形接合機。這使得球形接合機為了實行能力和變通性轉成使用楔形接合機。以此觀點可知，唯一仍無法以球形接合機製成的內連線是帶狀的，然而利用適當的毛細管設計，某些帶狀接合的形式應該可以做得出來。
結論
環顧整個1990年代，製程工程師是以購買設備來開發製造方法。時至今日，僅剩下少數的製程工程師可以完成客戶期望的全面性解決問題，並且利用可量產的製程來達成。此想法顯示出製程通用性的需要。
使用球形接合機與鏈狀接合即可成功地替代楔形接合。而楔形接合技術仍將繼續在帶狀內連線中扮演重要角色，但是此技術所提供的工具需要最多的導線運用配合。
為了使用高成本的重要設備，需要節省製造的建地面積、減少人事成本、簡化操作流程，以及增加上市時間，因此若能夠在球形接合機上進行幾乎所有的接合操作，才能展現此設備的優點。將鏈狀接合加入球形接合機，製造商便能支援需要更高頻率與密集度的封裝應用，而不需要犧牲生產力與產量。SST-AP/Taiwan
參考文獻
1. L. Levine, et al. mproving Intermetallic Reliability in Ultra-Fine Pitch Wire Bonding.?
2. G. Harman, ire Bonding in Microelectronics Materials, Processes, Reliability, and Yield.?
致謝
作者要感謝Michelle Taylor、Henrik Hansen、Brad Benton、James Oryan以及Dan Evans對本篇文章的幫助。
作者
Donald J. Beck，應用經理、Albert C. Perez，系統工程師，地址：Palomar Technologies, Inc. 2728 Loker Avenue West Carlsbad, CA, 92010；電話：760/931-3600；電子郵件信箱：info@bonders.com。
圖一：楔形與球型接合的簡單示意圖。
圖二：55微米節距的側視圖。