技术进步，线材粘结剂的短缺

IC封装需求的激增，导致了用于组装全球四分之三的线材键合器的交货时间变长包．随着先进封装技术的崛起，线材粘合市场去年翻了一番。

线键合是一种较老的技术，通常不为人知。尽管如此，包装公司仍有许多这些关键工具，可以帮助组装许多(但不是所有)包装类型。多年来，客户要求更快，更强大的电线粘结剂。作为回应，线粘机供应商开发了更快的系统，包括那些具有人工智能缺陷检测和工厂自动化功能的系统。线键合与铜键合完全不同，铜键合是一种更先进、更昂贵的技术，用于模具堆叠、封装和其他应用。

尽管如此，在线粘接领域，包装客户面临着重要的新挑战。一段时间以来，由于市场需求巨大，许多包装公司的线粘接能力已经售罄。因此，许多包装公司需要更多的电线粘结剂来满足需求。只有一个问题。去年8月，许多线材粘结剂类型的交货周期飙升，徘徊在10个月左右。到目前为止，到2022年，情况正在改善，但仍然是一个问题。所有这些都会影响许多包裹类型的交付时间表。

“2021年出现了对金属债券的恐慌性购买。osat和其他公司甚至在订购2022年的订单，因为他们担心在订购队列中太晚了，”李约瑟分析师Charles Shi表示。“现在的交货时间可能少于6个月。需求依然强劲，但订单正朝着较为温和的水平发展。”

线键合一直是半导体生态系统中一个动态但不为人知的部分。早在20世纪50年代，这些粘合剂就被发明出来，用于在封装内创建低成本的有线互连。互连用于将一个模具连接到另一个，或连接到封装中的基板。随着时间的推移，电线粘结剂发展成为许多封装类型的主力组装工具。据TechSearch报道，目前75%到80%的封装是基于线键合的。线键合器用于低成本的遗留包、中端包和内存模组。

线粘接是装配过程的关键部分。在一个装配流程的例子中，一个模具被放置在一个带有金属引线的小矩形框架上，使用模具连接系统。然后，焊线机取下这些零件，自动将模具上的细线高速连接到金属引线上，形成电气连接。最后，使用不同的系统封装结构，形成一个包。

图1:包中的线粘接。来源:K&S

线粘接并不是在封装中提供互连的唯一方法，而且它确实有技术限制。除了线键合之外，还有其他方案，其中两个或多个模具使用更先进的互连方法在一个先进的封装中组装，如扇出、2.5D或3d - ic。

先进的包装往往占据大多数头条新闻，并正在取得可观的市场收益。相比之下，基于线粘接的封装是一种成熟的技术，增长率为个位数。即便如此，线材粘合商仍在迅速增长。根据VLSI Research的数据，2021年全球销售额达到16亿美元，高于2020年的8000亿美元。据该公司称，到2022年，该市场预计将保持16亿美元的销售额。

除增长率外，其他值得注意的趋势包括:

• 最新的高端线粘接机具有机器学习和工厂自动化功能。在没有人为干预的情况下，在这些系统上学习有助于防止缺陷的发生。
• 线材粘接器正被用于更复杂的封装。
• 这些系统正在推动内存堆叠技术的极限。

什么是线键合?
贝尔实验室，曾经是世界领先的研发机构，在1957年发明了第一个电线键合器。(贝尔实验室也在1947年演示了第一个晶体管。2016年，诺基亚接管了贝尔实验室。)

在贝尔实验室的帮助下，Kulicke & Soffa (K&S)于1959年开发了第一个商用线键合器，该系统为具有新型和廉价封装的芯片铺平了道路。

早期的线键合器是手动系统，用于组装简单的双列直插式封装(dip)和其他商品产品。在dip中，模具位于带引线的金属框架上。一个焊接工用细小的电线将模具连接到引线上。

线粘接最初是一项劳动密集型的工作。从20世纪60年代开始，许多北美芯片制造商开始将他们的组装工厂从美国转移到亚洲的低成本地点。人工操作人员被要求将未粘合的部件移动到粘合器上，在那里它们被装入机器。

早期，金属线粘结剂演变成两种类型，球粘结剂和楔形粘结剂。球形粘结剂，最大的市场，用于过多的包装类型，并利用铜，金或银线。楔形粘结机用于动力装置。

一般来说，球键机由显示器、键盘、手柄、输送系统和毛细管单元组成。在球键合器的应用中，假设你想要在一个模具上的键合垫和一个位于芯片上的独立引脚之间形成一个有线连接。在操作中，一段线轴被加载到系统中。从线轴上，一根电线被送入带有微小空心管的毛细管单元。在该系统中，产生火花，熔解导线末端，并在尖端形成球形球。

接下来，粘结扫描，同时沉积一个电线条从邮政到粘结垫。然后，在球粘接器中，垫面上的球被机械压紧以电固定连接。毛细管缩回，完成模具垫和铅之间的线圈。

接下来，重复高速过程，直到包中所需的每个连接都连接起来。

简而言之，线键合是一种低成本的封装互连方式。但几年前，由于技术需求的增加，金属线粘结剂被认为会消失。

VLSI研究公司首席执行官Dan Hutcheson表示:“早在20世纪70年代末和80年代初，人们就在谈论先进封装消除线粘接。

这从未发生过。在20世纪80年代，自动化电线粘结机的出现帮助简化了这一过程。“如果你考虑线键合，你有这个引线框架，引线向外延伸。在衬垫的引线之间有一个空间，模具就在那里，”Hutcheson说。“如果骰子大小改变了，那也没关系。你所要做的就是重新编程。”

总之，线键合技术很早就开始发展了。“最大的原因是因为它更便宜，更灵活，”哈奇森说。“有两件事推动了增长。一个是包的总数。不仅仅是包裹需要捆绑。这也是任何一年需要连接的引线数量。”

线材粘接器用于制作几种封装类型。每个封装都有不同数量的键合线，具有不同的线长、环和间距。该间距大于晶圆上导线中心到晶圆中心或键荚中心到晶圆中心之间的间距。

K&S产品开发总监John Foley表示:“我们在每个新设备开发中推动的两个主要举措是提高粘结剂的吞吐量，并降低其粘结垫的倾斜能力。”“在2000年代后期，客户将产品尺寸降低到40μm，最近又转向35μm。今天，我们的设备能够达到30μm的直排键垫间距，尽管大多数应用还不需要这种能力。”

目前，在线粘封装中，主流的粘接垫间距范围为40μm ~ 45μm。“根据这一要求，线径稳定在0.7- 0.8 mil直径左右，这取决于粘合垫的间距。当我们向35μm的衬垫间距发展时，将需要0.6 mil直径的导线。”

尽管如此，线键合仍存在一些挑战。首先，软件包变得更加复杂。Promex的销售和营销副总裁Rosie Medina说:“过去，我们使用的是老式的、更笨重的封装，比如塑料含铅芯片载体(plcc)和dip。QP技术．“改变的是对更小的键合板开口、更高的引脚数/更细的间距以及交错键合板的需求——所有这些都适用于定制基板和封装。”

虽然封装已经变得更加复杂，但电线粘结剂本身必须保持领先地位。“对于高产量工艺，你需要低循环。你需要小而球形的球，必须在高速(加速度为>25g)下均匀形成，”该公司首席技术官Choon Lee说JCET．

可靠性是关键。铜是焊接的主流导线类型，价格便宜，导电性高。但是铜会被腐蚀，导致线粘封装失效。这是由于卤素，如氯，存在于霉菌化合物中。

电线粘结剂供应商已经遇到了所有这些挑战。使用价格合理的无卤素化合物可以防止上述失效模式。

尽管如此，客户还是想要功能更强、速度更快的设备。近年来，线粘接产量每年提高约2%。

吞吐量取决于几个因素，如封装类型和线数。在低端，led可能有2到3根导线。四平封装(QFP)是一种常见的封装类型，每个设备的范围为50到80根导线。

他说:“我们在高端市场看到超过2000根电线的包裹。这将适用于用于智能手机、平板电脑和物联网设备的芯片。”

线材粘合机的前景，趋势
与此同时，线键合已经成为一项相当大的业务。VLSI Research的数据显示，在14家参与电线保固市场竞争的公司中，K&S拥有>60%的份额，其次是ASM Pacific，拥有>20%的份额。

这绝不是一个静态的市场。多年来，线粘封装主要使用金丝，因为这种材料导电性能好，可靠。

这种情况在2009年左右开始改变，当时全球市场上的黄金价格上涨了300%。黄金价格的飙升可能会给线材包装的成本带来麻烦。

幸运的是，业界预见到了这个问题。甚至在危机之前，公司就开发出了使用更便宜的铜线的电线粘结剂。

随着从金线键合到铜线键合的迁移，供应商能够将组装成本降低高达30%。今天，金线仍在一些应用中使用，但铜线几乎在一夜之间成为主流技术。

下一个重大转折点发生在过去一两年，当时ASM Pacific、K&S和其他一些供应商开始制定各自的工业4.0(第四次工业革命)计划，也被称为智能制造。其目标是通过使用新技术和更好的通信来提高制造效率。

这在半导体行业并不新鲜。多年来，芯片制造商转向了自动化程度更高的晶圆厂。然后，晶圆厂设备制造商在他们的系统中加入了更多的传感器。这反过来又产生了大量的数据，使芯片制造商能够在制造流程的早期查明问题。

一些晶圆厂设备也采用了机器学习。人工智能的一个子集，机器学习在系统中使用先进的算法来识别内联数据中的模式，学习并从信息中进行预测。

机器学习被用于半导体工厂的某些部分，但不是所有部分。它被大量用于检测设备，以帮助定位芯片中潜在的致命缺陷。

其中一些技术正在进入包装领域。事实上，一些存储器制造商开始转向所谓的“熄灯”组装设施，其目标是消除操作人员的干预，从而降低成本。

最近,几个OSATs有封装业务的芯片制造商也在向类似的方向发展。通常，许多包装厂部署各种类型的工厂自动化系统，包括自动导向车辆(agv)、轨道导向车辆(rgv)和架空运输系统。

线材粘结剂供应商开发了与这些系统通信的接口。K&S公司的Foley解释说:“AVGs包括一个机器人，它在焊丝焊接设备的前面移动，提供未焊件的弹夹，然后捡起已焊件的弹夹。“我们还看到了轨道导向车辆，其中成排的电线粘结剂背靠背，有足够的空间让机器人在轨道上自动从机器后部装载材料。”

与此同时，在架空传输机构中，一个机器人载体在架空传送带中围绕工厂移动。承运人可装卸未保税或保税部件。

除了自动化方面，高端线粘接机还将计算机视觉系统与机器学习结合起来进行缺陷控制。使用这些算法，键合器可以检测出球键是太大还是太小。这是许多应用中的一种。

“目前的重点是实现实时过程监控和故障检测。从键合器上的关键子系统可以获得大量数据，我们正在添加额外的传感器以实现更先进的检测。我们正在实时监测数据，并使用先进的机器学习算法。”

最初，汽车客户推动了这些发展。汽车制造商希望在生产过程中零缺陷，包括线键合。现在，所有客户都需要这些功能。

市场前景
一段时间以来，该行业对半导体芯片和封装的需求前所未有，这推动了对更多组装工具的需求。

“我们看到所有行业都出现了广泛的增长，这种势头至少延续到2022年，”腾讯首席运营官吴天恩(Tien Wu)表示日月光半导体在最近的一次电话会议上。“2021年，我们看到先进包装收入同比增长23%。我们预计2022年的增长率会好于这一数字。2021年电线债券收入增长36%。我们继续看到线键合完全加载。我们预计2022年的线材收入将实现两位数的增长。”

这是好消息。坏消息是，对于大多数客户来说，K&S的电线粘结剂的交货时间是6到7个月。作为回应，K&S正在扩大其制造能力。其他电线粘结剂供应商也看到了类似的需求。

图2:K&S线键合机。来源:K&S

K&S的Foley说:“从2021年起，全球对5G、互联设备、汽车和内存的需求将持续下去。”“2022年封装半导体的增长预计将从2021年开始依次下降，尽管这仍然是历史行业平均水平的近两倍。”

在早期，线键合被用于组装简单的封装。随着时间的推移，线粘封装变得更加复杂。例如，在21世纪初，qfn出现了。

qfn属于引线框架系列的封装。引线框架是一种带延伸引线的合金框架。在QFN中，模具连接到框架上。然后，使用金属线粘接器，将小金属线连接到每根引线上。最后，对包进行封装。

qfn目前被广泛使用，但它们更加复杂。“我们看到多层qfn有三到四层，可以容纳更多的I/ o。我们看到更大的qfn (<12mm)，”JCET的Lee说。

线粘接器用于其他复杂的封装类型。Promex的Medina表示:“如今，我们正在开发更多的球栅阵列(bga)、板载芯片(COB)和多芯片模块(MCMs)。“尽管它们没有突破边界，因为它们的引脚数量更低，但传感器是另一个重要的线粘接应用。许多传感器在最终应用中需要访问模具表面，因此使用线键合进行互连是理想的。”

内存是线键合的另一个重要驱动因素。2016年，苹果公司推出了iPhone 7。该手机内置了16个NAND闪存，支持128GB的存储空间。每个模具都堆叠成金字塔状的形状，并使用微小的电线连接。

如今，内存供应商在一个封装中堆叠8或16个NAND闪存芯片。在研发方面，该行业正在开发24个模具堆叠封装。

这一趋势带来了一些挑战。“内存芯片将非常大，而且非常薄。因此，处理这些脆弱的模具需要使用专门的无针取模工具，以最大限度地减少应力，并降低在这些过程中开裂的风险，”诺尔顿·奥姆斯特德说公司在一段视频中。“这些薄模具在模具堆中也会有一个悬垂。这就需要选择合适的模具附着膜和模具复合材料，以尽量减少包装中的翘曲和应力，防止最终组装的包装出现故障。”

这还不是唯一的问题。“增加封装中的堆栈芯片数量，同时保持较低的封装高度，这在许多领域都带来了挑战。在降低基板的Z高度方面正在不断改进，以允许更高的堆叠，”Olmstead说。“沿着模具向下的线键合也需要以受控的方式进行，这样可以最大限度地减少整个悬垂区域的应力。此外，我们希望保持较低的线键合环高度，这使得我们有一个非常低的模盖间隙高度。”

结论
显然，线键合器是半导体生态系统的重要组成部分。尽管越来越多的人开始关注先进的封装技术，但线粘接技术仍将继续应用于许多封装类型。

目前最大的挑战之一是获得足够的金属线粘结剂。但在某种程度上，将会出现线材键合产能过剩，这是一项古老但关键技术的周期性特征。

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