球形接合與楔形接合的差異:材料、製程、方向性、用途比較

兩者都是以細金屬線連接晶片的電極墊與導線架或基板的打線接合方式。球形接合以放電熔化線材前端形成球,再以熱、荷重與超音波進行接合。球沒有方向性,因此線材可朝任何方向拉出,能高速接合,是 IC 封裝中使用最廣泛的方式。楔形接合從側面將線材壓扁,主要以超音波進行接合。可以直接使用鋁線或帶狀線,因此常用於流過大電流的功率半導體。

項目球形接合楔形接合
接合的形狀第 1 接合點為球,第 2 接合點為壓扁線材而成的針腳(stitch)第 1 接合點與第 2 接合點都是將線材壓扁成楔形
工具瓷嘴(中心有孔的陶瓷細管)楔形工具(從斜後方送線,以前端壓住線材的工具)
接合的能量併用熱、荷重與超音波的熱超音波接合。將基板加熱至約 150 至 200 ℃主要為超音波與荷重。鋁線可在室溫下接合
線材材料金、銅(包含鍍鈀銅)鋁(細線、粗線)、鋁帶、金。功率用途也有粗銅線
線徑約 15 至 50 µm細線為數十 µm,功率用粗線約 100 至 500 µm。也有扁平帶狀的帶狀線
方向性球沒有方向性,線材可朝任何方向拉出沿著送線方向接合,因此方向是固定的。每次接合都要轉動焊頭或工件來對準方向
速度快。不必在意方向,可連續接合較慢。需要對準方向的動作
接合部大小與間距球約為線徑的 2 倍。可對應數十 µm 的窄電極墊間距接合部的寬度比球窄,細線也適合窄間距
線弧的形狀從球立起,因此需要一定的高度。也有壓低的技巧容易做成低線弧
可靠度的注意事項金線與鋁電極墊之間介金屬化合物與孔洞的成長。銅線則有電極墊下方的破裂(彈坑)粗鋁線因溫度反覆升降而導致接合部剝離(脫落)或根部破裂
主要用途QFP、BGA、記憶體晶片堆疊等 IC 封裝全般功率半導體與功率模組、車用電裝品、高頻或光元件、以鋁線進行的連接

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

球形接合
想以細金線或銅線快速連接具有大量電極墊的 IC 時。這是 IC 封裝的標準方法。
楔形接合
為了流過大電流而想使用粗鋁線或帶狀線時、想避免加熱時,或需要低線弧時。
辨別方式
第 1 接合點有圓球的就是球形接合,兩端都被壓扁的就是楔形接合。

常見問題

球形接合與楔形接合最大的差異是什麼?

在於線材接合的形狀。球形接合以放電在線材前端形成球再接合,因此沒有方向性,線材可朝任何方向拉出。楔形接合從側面壓扁線材進行接合,因此方向是固定的。

為什麼功率半導體多使用鋁線的楔形接合?

因為要流過大電流,需要直徑約 100 至 500 µm 的粗線材或帶狀線。粗鋁線不必形成球,可以用超音波在室溫下直接接合,材料也便宜,因此廣泛用於功率模組。

為什麼鋁線不做球形接合?

因為鋁的表面容易形成強固的氧化膜,難以用放電形成穩定的圓球。因此,鋁線主要以楔形接合,球形接合則使用金線或銅線。

理解度檢測

以放電熔化金線前端形成球,再施加熱與超音波接合到電極的打線接合方式為何?

  1. A球形接合(球焊,熱壓超音波接合)
  2. B楔形接合
  3. C回焊焊接
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正確答案:A. 球形接合(球焊,熱壓超音波接合)

球形接合是將從毛細管(capillary)送出的導線前端以放電熔化,形成約為線徑2倍大小的球,再以熱、壓力與超音波接合到晶片的電極上。由於球不受方向限制,導線可朝任何方向拉伸。楔形接合是從側面壓扁導線進行接合的方式,常用於鋁線。回焊不使用導線。

在使用成球的打線接合中,一般首先進行第一次接合(球焊)的位置為何?

  1. A封裝樹脂的表面
  2. B晶片的電極焊墊側
  3. C導線架或封裝基板側
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正確答案:B. 晶片的電極焊墊側

在球形接合中,首先將導線前端製作的球接合到晶片的電極焊墊上(第一焊點),拉伸導線後,再將導線壓扁接合到引腳或基板的電極上(第二焊點)。球的接合處很小,適合晶片上狹窄的焊墊。在堆疊晶片、想降低導線高度的情況下,也會使用相反順序的方法。

打線接合所使用的導線粗細,一般為下列何者?

  1. A約1~2 mm
  2. B約1 nm
  3. C約15~50 µm
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正確答案:C. 約15~50 µm

接合導線是直徑約15~50 µm左右的極細金屬線,多半比頭髮(約70 µm)還細。由於晶片電極焊墊的大小只有數十µm,導線也需要配合這個細度。另一方面,在通以大電流的功率元件中,也會使用直徑100~500 µm左右的粗鋁線、帶狀的鋁帶,以及銅夾片。

  1. 打線接合中,由金(Au)線改用銅(Cu)線的趨勢不斷進展,其主要原因為何?
  2. 許多LSI中,進行打線接合的最上層電極焊墊所使用的金屬為下列何者?
  3. 對功率模組反覆施加溫度上升與下降的「功率循環試驗」中,可見的代表性故障為下列何者?

前往封裝與構裝的練習題

相關名詞的解說

打線接合
以金或銅等細金屬線,將晶片的電極焊墊與導線架或基板連接起來的接合方法。
導線架
將放置晶片的底座與外部端子(引腳)一體成形的金屬薄板。用於QFP等封裝。
IGBT
絕緣閘極雙載子電晶體。以 MOS 閘極驅動,藉由導電度調變,即使在高耐壓下也能得到較低的導通電壓。

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