引線鍵合技術會被淘汰？你想多了！|半導體行業觀察

來源：半導體行業觀察翻譯自semiengineering，作者MARK LAPEDUS ，謝謝。

數年前，許多人都預測,引線鍵合技術這種傳統的互聯封裝技術會消亡，並且會推動了對更先進的封裝技術的需求。事實證明，這些預測錯了。

當下，半導體製造業確實使用著幾種先進的封裝類型，但是引線鍵合技術已經經歷了多年的重新改造，並且仍然是封裝的主力。例如，全球最大的封測代工廠(outsourced semiconductor assembly and test，OSAT)——台灣日月光半導體製造公司（ASE），現在具有一個近16.000台焊線機的安裝基地，能夠生產多種封裝類型，引線鍵合就是其中的主力。

20世紀50年代發展起來的引線鍵合機（焊線機），類似於高科技縫紉機，能夠利用極細的線將一塊晶元縫到另一晶元或襯底上。引線鍵合技術主要用於低成本的傳統封裝，中檔封裝，內存晶元堆疊等。

圖 1：超小間距的引線鍵合。來源：庫力索法（Kulicke & Soffa.）

當下，在激增的傳統應用如汽車，以及新的細分市場如3D NAND領域，引線鍵合市場正在升溫。同時，引線鍵合也被用在高級封裝中，正如TechSearch International（TSI）的總裁Jan Vardaman所說，「現在大約有75%到80%的封裝類型仍然是引線鍵合的。雖然增速是個位數，但是確實仍有增加的部分。例如，快閃記憶體、某些新型感測器都會用到鍵合線，一些封裝實際上有內置的鍵合線和倒裝晶元。」

然而，引線鍵合技術有它自己的局限性。它不可能掌控IC封裝世界，因為該技術有一些眾所周知的I / O問題。對於許多高性能晶元來說，引線鍵合技術確實走到盡頭，客戶將需要更先進的封裝類型。

事實上，一些基於引線鍵合的傳統應用正在往更新的封裝類新遷移。引線鍵合技術不會停滯，而工具也在繼續升級。台灣ASE設備工程副總裁Scott Chen聲稱，「鍵合線將繼續發展，尤其是銅線鍵合。」

總之，預測引線鍵合技術的消亡確實太言過其實了。「在某些硅節點，不能簡單地採用高級的封裝，如倒裝晶元和晶圓級，」 星科金朋負責產品和技術市場的副主任Edward Fontanilla如是說，「考慮到成本和可靠性，鍵合線具有相當的優勢。」

雖然晶元客戶已經習慣了引線鍵合的能力和局限性，但是，許多人正在尋求有競爭力的技術。為了幫助業界了解引線鍵合的發展方向，半導體工程公司已經看到了技術和一些關鍵市場，特別是智能手機領域。

什麼是引線鍵合？

分析師稱，引線鍵合是一個成熟的市場，預計從2014年到2019年將僅增長2.4％，儘管如此，引線鍵合封裝市場仍然大有可賺，據悉，該市場每年約產出130億美元至150億美元。

模擬和汽車這兩個最大的引線鍵合驅動因素，每年都以3.9％的速度增長。分析師補充說，計算領域的應用將下降6.6％，但感測器卻增長了15.2％。

引線鍵合是封裝中的主要互連技術之一。 其他的技術還包括倒裝晶元，晶圓級封裝（WLP）和硅通孔（TSV）。

封裝是一種根據終端類型定製化的行業。在高端設計中，行業繼續採用TSVs技術加強2.5D/3D晶元的設計；在中檔到低端應用中，客戶採用WLP技術，如扇入（fan-in）和扇出（fan-out）。WLP是在晶圓上進行的IC封裝。

在倒裝晶元中，在晶元的頂部形成大量微小的凸起或銅柱。該裝置翻轉並安裝在單獨的模具或板上。模具或板由銅墊組成。凸起或銅柱落在銅墊上，形成電氣連接。

圖 2：倒裝晶元BGA封裝。來源：UTAC

引線鍵合是一種最古老、最低成本的互聯方案，它利用來自ASM Pacific，K&S等的引線接合器進行焊接。焊線機被用於製造各種封裝類型——BGA、PDIP、QFN、SOIC、TSSOP等。

基本上，有兩種主要類型的焊線機——球鍵合和楔鍵合。「超過90%的市場使用球鍵合，」ASE的陳說。「楔焊用於離散產品和重型電線的電源設備。」

在一個簡單的引線鍵合流程中，首先晶元附接在框架或基質上。然後，使用引線鍵合機將導線從系統中的線軸送入細管中。熱量使得導線的末端形成一個小球。使用力，焊接機將焊球焊接在焊接面。該系統環繞著導線，然後將其縫合。最後，模塑材料覆蓋電線。

圖 3： TI的銅線鍵合工藝流程。

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。由於銅比黃金便宜，晶元製造商的封裝成本得以降低。

雖然銅比金硬，但這又反過來需要更強的粘結力，這可能導致焊接盤的損壞。而且，銅在一定溫度下會氧化。

今天，雖然有約70％的基於引線鍵合的封裝使用銅線，但是剩餘部分仍使用金線或者銀線鍵合。「另外，銀的成本高於銅，但低於黃金，」陳說。「大部分銀線用於內存封裝。」

金線鍵合在許多應用中仍然被使用。「有些應用比較保守。需要花更長的時間來認證，比如汽車，」他說，「他們需要更多的時間來證明該設備可以轉換成銅線。對於某些設備，他們更是根本不想做任何改變。」

無論如何，引線鍵合是有限的。「它支持低引腳數器件引線鍵合，可以支持高達700至800個I / Os，但實際的引線超過1000線，」陳說。

十年前，用於引線鍵合的焊接盤間距限制在80至100μm。 隨著時間的推移，引線接合器已經改善，使得焊接盤間距降為40至37μm。

Amkor公司負責微電子機械系統(MEMS) 、感測器和引線鍵合BGA產品的高級副總裁Adrian Arcedera表示：「焊線機器的不斷改進，允許我們做的不僅是在焊接盤間距縮小時處理更小的導線直徑，而且還可以使我們獲得更好的循環控制。」

然而，焊線機需要在更精細的間距中執行更複雜的任務，這帶來了吞吐量的挑戰。「因為（引線鍵合機）以及有所改善，功能也提高了，」Arcedera說， 「但是我們還在不斷挑戰機器。我們正在使這些機器在循環中進行一些彎曲或扭結。現在，我們又在放慢機器的速度。」

總而言之，客戶有選擇權。他們可以堅持使用引線鍵合，也可以考慮倒裝晶元，可以選擇WLP或TSV技術，或者對這些技術做一切可能的組合。還有一些人可能從引線鍵合轉到其他技術。「有些客戶正在從引線鍵合產品遷移到高級封裝。有些需要更嚴格的可靠性，」星科金朋（STATS ChipPAC）的Fontanilla如是說，「我們也有層壓板的引線鍵合，（有些可能）轉換為高級封裝，比如倒裝晶元和晶圓級封裝，這是對引線鍵合的威脅。」

探究iPhone7 內部

引線鍵合用於多種應用，其中，汽車是通常想到的典例。 「在汽車行業，我們使用標準設備和工藝流程的標準封裝，」Fontanilla說，「汽車和商業市場之間的唯一區別就在於質量和過程式控制制方面。汽車在質量、流程和可靠性方面要求更為嚴格。」

汽車客戶也不太願意做出改變。給定的插座多年來可能都使用相同的晶元和封裝類型。不過，事實上也並非總是如此，Fontanilla稱「有些用戶正在考慮高可靠性產品，如自動駕駛輔助系統（ADAS）。 他們可以使用晶圓級產品，而不是引線鍵合。」

然而，智能手機的故事卻不盡相同。下一波智能手機將需要新的晶元，並將其安裝在更小更薄的封裝中。

圖 4：iPhone 7的結構框圖。來源：TechInsights

舉例來說，智能手機已經為應用處理器提供了PoP技術。PoP技術將兩個獨立的封裝堆疊在一起，並使用倒裝晶元進行連接。

在PoP產品內，內存封裝在頂部，而應用處理器則封裝到底部。一個內存封裝可以由一個或多個die組成。 基本上，存儲die使用引線鍵合連接到襯底上。

許多智能手機OEM都在堅持使用PoP，因為該技術成熟又廉價。但是PoP在0.8mm左右的厚度下就無法發揮作用了。

為了找到PoP技術的替代品，行業正在開發一種被稱為高密度扇出（fan-out）的高級封裝技術，在fan-out技術中心，互聯被扇出，從而使能更多I/O埠。

蘋果的iPhone 7是高密度fan-out最顯著的例子。台積電（TSMC）正在為蘋果的A10應用處理器代工。 基於16nm finFET工藝，蘋果的A10處理器就是使用台積電的fan-out產品技術，被稱為集成扇出（Integrated Fan-Out，InFO）。根據TechInsights的說法，利用InFO技術A 10能夠使用厚度從0.33mm到0.23mm的封裝。

InFO類似於一種PoP封裝技術，內存封裝位於頂部，應用處理器封裝位於底部。 在一些fan-out配置中，存儲器die通過引線鍵合堆疊並連接到襯底上。 通常，銀線用於連接存儲器die堆疊。由於銀線相對較軟，從而降低焊接盤損壞的風險。

圖 5：PoP vs WLP fan-out。 來源： TechSearch

在iPhone 7中，同時有四個LPDDR4 SDRAM die。 根據TechInsights的說法，die不是堆疊的，而是遍布整個封裝，將整體的封裝高度保持在最低限度。

星科金朋的Fontanilla說：「一些fan-out WLP使用引線鍵合，有些則不然。有時候，它們在封裝內組合使用引線鍵合和倒裝晶元技術。」

實際上，PoP和fan-out可以使用幾種互連技術的組合，有時被稱為「混合封裝」。另外，系統級封裝（SIP）的產品也可以利用混合封裝。ASE的陳解釋說說：「這樣封裝內部就會很複雜，它將結合引線鍵合、倒裝晶元和晶圓級封裝技術。」

一般而言，混合封裝增加了製造方程的成本和複雜性。 另一方面，混合封裝是確實有價值。比如，由於性能原因，在智能手機中應用處理器使用fan-out是有意義的。

但是智能手機還包括其他設備，比如MEMS、微控制器和射頻晶元。它們還包括無源組件。由於成本原因，這些晶元大多數都不需要高級封裝，引線鍵合就已經滿足要求了，且成本較低。

圖6 ：混合封裝。來源：Kulicke & Soffa.

堆疊NAND

對於應用處理器而言，DRAM堆棧僅限於四層die。為了節省成本，該行業就遷移到3D DRAM技術，如高帶寬內存（HBM）。但是，HBM對於一款智能手機來說，過於昂貴了，至少現在看來是這樣。

NAND的故事有所不同。根據TechInsight所說，通常情況下，智能手機採用獨立的NAND晶元進行數據存儲。一個標準的iPhone 7具有128GB的快閃記憶體。使用傳統的平面型NAND，該手機可疊加16個128 Gbit的die。

Micron Technology中負責DRAM產品工程的總監Tony Veches表示，一般來說，人們對NAND堆疊的評價是：「使用引線鍵合技術的NAND堆棧通常限制在16個高位。 使用這種技術，對堆疊的die數目沒有機械限制。但是，我們確實遇到了基於信號完整性和功率傳遞的限制。這將根據die和應用的具體情況而有所不同。

該技術還要面臨其他挑戰。 例如，NAND堆棧必須滿足一定的配置要求。但是當我們堆疊更多die時，堆棧高度又會增加。

為了保持規格的規範性，封裝廠商可能需要減少每個die的厚度，這種具有挑戰性的工藝過程被稱為晶圓薄化。使用稱為晶片變薄的具有挑戰性的過程來減小每個管芯的厚度。 Fontanilla說：「例如，在一個10層die的堆棧中，只需要50μm厚度的晶圓。 而在一個10層die的堆棧中，晶圓厚度僅為30μm。」

蘋果可能已經解決了這個問題。 根據TechInsights的說法，一些高端iPhone 7機型正在使用3D NAND，從而能夠實現256Gbdie的更薄的八層die堆疊。

3D NAND堆棧可能會與極板鍵合。 與平面結構的2D NAND不同，3D NAND由多層組成，密度有所增加。

更多的晶元和感測器

與此同時，一部智能手機還集成了許多其他晶元，諸如音頻IC，FPGA，LCD控制器，MCU，MEMS等。

其中的許多晶元要求低於0.5mm的封裝高度。Amkor的Arcedera稱：所有這些組件都需要安裝在LCD顯示屏的下面，因此它們需要更薄。」

為此，有幾種封裝類型可供選擇——極薄、細間距的BGA（XFBGA），QFN;以及WLP。

無引線方形扁平封裝（QFN）是一種老式但受歡迎的封裝類型，因為它可以獲得薄型尺寸且價格低廉。 在QFN中，將銅框架或引線框放置在die上，在引線框的四面各有一個焊盤。利用引線鍵合器，引線將die連接並縫合到焊盤上。

圖 7： QDN示意圖。來源：Wikipedia

同樣基於引線鍵合的XFBGA是另一個競爭者。不同於QFN，XFBGA封裝使用層壓基板而不是引線框架。然後，利用一種被稱為扇入式（fan-in）的WLP技術，將I / O放置在焊球上，實現了微小的封裝。

QFN面臨的問題是路由能力受限。直到最近，XFBGA的尺寸限制在大約0.45mm的高度。 Amkor公司的層壓產品總監Choonho Choi在白皮書中表示：「倒裝晶元CSP（設計）可以克服這些技術問題，並提供另一個有效的解決方案。但是它需要在die上進行衝擊過程（沖模），這是導致成本增加的主要原因，特別是如果壓模設計不允許用戶實現廉價的沖模和填充不足的方法。」

為了解決這個問題，Amkor開發出了一種低功耗的XFBGA技術，設計了最大高度0.40mm的XFBGA裝配工藝流程。 Amkor將該技術稱為ChipArray球柵陣列（CABGA）。

圖 8： XFBA技術圖解。來源：Amkor

Amkor和其他封測代工（OSAT）廠商還提供了具有競爭力的QFN和WLP產品。Arcedera說：「我們正在努力為客戶提供選擇，傳統上，這種厚度是晶片級CSP所在的區域，（CABGA）允許傳統的開發引線鍵合器件的客戶與晶圓級解決方案競爭。」

這為IC設計人員帶來了一些優勢。Arcedera解釋道：「他們的設計庫已經建成了用於引線鍵合的產品。 因此，他們可以重新使用這些設計庫來更快地生產一個晶元，並將其推出市場，而不是將其完全地重新設計為倒裝晶元應用，我們正在為設計人員提供一種能力，使得他們能夠更長時間繼續使用自己的引線鍵合產品。」

此外，今天的智能手機集成了多種感測器。事實上，蘋果的iPhone 7集成了以下類型的感測器：指紋識別、加速度、陀螺儀、距離感測器、指南針和氣壓。

感測器是引線鍵合、倒裝晶元和WLP的主要驅動器。星科金朋的Fontanilla說：「不同的感測器具有不同的工藝要求.」

封測代工廠在幾個感測器領域的營業額都有增長，特別是ID識別應用的指紋感測器。據Yole Développement稱，智能手機指紋感測器市場總量從2013年的2300萬台，增長到2016年的6.89億台，同比增長了210％。但是，隨著智能手機增速放緩， 2016年到2022年指紋感測器市場預計將增長19％。

感測器需要更小更薄的外形尺寸。Fontanilla說：「對於指紋感測器來說，挑戰主要來自模具間的間隙。有些客戶要求更高的清關率，有些則需要更薄的間隙。更薄的清關是具有挑戰性的部分，我們需要做一些額外的步驟才能確保清除。」

有一段時間，星科金朋已經加強了對感測器的封裝能力。ASE、Amkor和其他廠商也在追逐市場。顯然，汽車、移動設備、感測器及其他市場將繼續推動引線鍵合技術，從而保證該技術在未來幾年依然存活。

原文鏈接：http://semiengineering.com/wirebond-technology-rolls-on/

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