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过去几年，对 IC 封装的需求激增导致引线键合机的交货时间延长，用于组装全球四分之三的
封装
。去年，随着先进封装的兴起，焊线机市场翻了一番。
引线键合是一种较老的技术，通常不为人知。尽管如此，封装公司仍拥有大量此类关键工具，因为它们可帮助组装许多（但不是全部）封装类型。多年来，客户要求更快、功能更强大的焊线机。作为回应，焊线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。引线键合与铜混合键合完全不同，后者是一种用于芯片堆叠、封装和其他应用的更先进且成本更高的技术。
尽管如此，在引线键合方面，封装客户面临着重要的新挑战。
一段时间以来，由于该领域的巨大需求，许多封装公司的引线键合能力已售罄。如此多的封装公司需要更多的焊线机来满足需求。只有一个问题。去年 8 月，许多类型的焊线机的交货周期飙升，徘徊在 10 个月左右。到 2022 年，情况虽然正在改善，但这仍然是一个问题。所有这些都会影响许多封装类型的交付时间表。
“2021 年出现了对焊线机的恐慌性购买，OSAT 和其他公司甚至为 2022 年需求下订单，因为他们担心在订购队列中为时已晚，”Needham 分析师 Charles Shi 表示。“现在的交货时间可能短于六个月。需求仍然强劲，但订购量正朝着更温和的水平发展。”
引线键合一直是半导体生态系统中充满活力但默默无闻的一部分。这些键合机发明于 1950 年代，用于在封装内创建低成本的有线互连。互连用于将一个die连接到另一个die，或连接到封装中的基板。随着时间的推移，焊线机不断发展并成为许多封装类型的主力组装工具。TechSearch 报告说，当今 75% 到 80% 的封装是基于引线键合的。焊线机用于低成本传统封装、中端封装和内存芯片堆栈。
引线键合是组装过程的关键部分。在组装流程的一个示例中，使用芯片连接系统将芯片放置在带有金属引线的小矩形框架上。然后，引线键合机将这些部件高速自动连接到芯片上的细线到金属引线上，形成电气连接。最后，使用不同的系统，将结构封装起来，形成一个封装。
图 1：封装中的 Wirebond 线。资料来源：K&S
引线键合并不是在封装中提供互连的唯一方法，它确实存在技术限制。除了引线键合之外，还有其他方案，其中使用更先进的互连方法在高级封装中组装两个或更多die，例如扇出、2.5D 或 3D-IC。
先进封装
往往占据大部分头条新闻，并正在获得可观的市场收益。相比之下，基于引线键合的封装是一项成熟的技术，具有个位数的增长率。即便如此，引线键合机正在飞速增长。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，预计市场将保持平稳，销售额为 16 亿美元。
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最新的高端焊线机具有机器学习和工厂自动化功能。在这些系统上学习有助于防止缺陷偏移，同时无需人工干预即可操作。
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贝尔实验室曾经是世界领先的研发机构，1957 年，他们发明了第一台焊线机。（贝尔实验室也在 1947 年展示了第一台晶体管。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 年开发了第一台商用引线键合机，该系统为采用新型廉价封装的芯片铺平了道路。
早期的焊线机是手动系统，用于组装简单的双列直插式封装 (DIP) 和其他商品。在 DIP 中，芯片位于带有引线的金属框架上。键合机通过细线将管芯连接到引线。
引线键合最初是一项劳动密集型任务。从 1960 年代开始，许多北美芯片制造商开始将其组装厂从美国转移到亚洲的低成本地点。需要人工操作员将未粘合的零件移动到粘合机上，然后将它们装入机器中。
早期，引线键合机演变为两种类型：球（ball）键合机和楔形（wedge）键合机。最大的市场球焊机用于多种封装类型，并使用铜、金或银线。楔形键合机用于功率器件。
通常，球焊机由监视器、键盘、处理器和传送系统等单元组成。在球焊机应用中，假设您想在芯片上的焊盘与位于芯片外的单独引线柱之间形成有线连接。在操作中，线轴被加载到系统中。从线轴上，一根线通过带有微小空心管的单元送入。在系统中，会产生火花，将线端熔化并在尖端形成球形。
接下来，键合机在将接线从柱沉积到键合焊盘的同时进行扫描。然后，在球焊机中，焊盘上的球被机械压紧以电固定连接。capillary tube缩回，完成芯片焊盘和引线之间的导线环。
接下来，重复高速过程，直到连接了封装中所需的每个连接。
简而言之，引线键合是一种在封装中进行互连的低成本方式。但几年前，由于技术需求的增加，焊线机本应消失。
“早在 1970 年代末和 1980 年代初，人们就在谈论先进的封装擦除引线键合，”VLSI Research 首席执行官 Dan Hutcheson 说。
但这从未发生过。在 1980 年代，自动焊线机的出现帮助简化了该过程。“如果你考虑引线键合，你有这个引线框架，并且引线延伸出来。在芯片所在的焊盘中，这些引线之间有一个空间，”Hutcheson 说。“如果裸片尺寸发生变化，也没关系。您所要做的就是重新编程焊线机。”
总而言之，引线键合很早就开始了。“最大的原因是因为它更便宜且更灵活，”Hutcheson 说。“有两件事推动了增长。一是包裹总数。需要粘合的不仅仅是包装。这也是任何特定年份需要绑定的潜在客户数量。”
焊线机用于制造多种封装类型。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。间距大于晶圆上的线中心到中心或焊盘中心到中心之间的空间。
K&S 产品开发总监 John Foley 表示：“我们在每次新设备开发中推动的主要两项举措是提高键合机的吞吐量并降低其键合焊盘间距能力。“在 2000 年代末期，客户将焊盘间距降低到 40μm，最近又转向 35μm 焊盘间距。今天，我们的设备能够实现 30μm 的串联焊盘间距，尽管大多数应用还不需要这种能力。”
如今，在引线键合封装中，主流键合焊盘间距范围为 40μm 至 45μm。“根据该要求，导线直径稳定在 0.7 至 0.8 密耳直径，具体取决于焊盘间距。随着我们向 35μm 焊盘间距迈进，将需要 0.6 密耳直径的导线，”Foley 说。
尽管如此，引线键合仍存在一些挑战。一方面，封装变得更加复杂。
QP Technologies
的母公司 Promex 的销售和营销副总裁 Rosie Medina 表示：“过去，我们粘合了更旧、更笨重的封装，例如塑料引线芯片载体 (PLCC) 和 DIP 。“改变的是需要更小的焊盘开口、更高的引脚数/更细的间距和交错的焊盘——所有这些都适合定制基板和封装。”
虽然封装变得更加复杂，但焊线机本身必须保持领先地位。“对于高产工艺，您需要低循环。您需要必须在高速（> 25g 的加速度）下均匀形成的小型球形球，”
JCET
首席技术官 Choon Lee 说。
可靠性是关键，铜是键合的主流线型，价格便宜且导电率高。但是铜会腐蚀，导致引线键合封装失效。这是由于模塑化合物中存在氯等卤素。
焊线机供应商已经应对了所有这些挑战。使用价格合理的无卤素化合物可以防止上述故障模式。
尽管如此，客户仍需要功能更强大、速度更快的设备。近年来，引线键合产量每年大约提高 2%。
吞吐量取决于几个因素，例如封装类型和线数。在低端，LED 可能有 2 到 3 根电线。四方扁平封装 (QFP) 是一种常见的封装类型，每个器件的线数从 50 到 80 不等。
“我们看到高端封装有超过 2,000 根电线。这将适用于实用智能手机、平板电脑和物联网设备中使用的芯片，”K&S 的 Foley 说。
同时，引线键合已成为一项相当大的业务。根据 VLSI Research 的数据，在焊线机市场竞争的 14 家公司中，K&S 的份额超过 60%，其次是 ASM Pacific，份额超过 20%。
这绝不是一个静态的市场。多年来，引线键合封装主要使用金线，因为该材料具有高导电性和可靠性。
这种情况在 2009 年左右开始发生变化，当时全球市场的黄金价格上涨了 300%。潜在地，金价的飙升给引线键合封装的成本带来了麻烦。
幸运的是，业界预见到了这个问题。甚至在危机之前，公司就开发了使用较便宜的铜线的焊线机。
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多达 30%。如今，金线仍在某些应用中使用，但铜线几乎在一夜之间成为了主流技术。
下一个大拐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，也称为智能制造。目标是通过使用新技术和更好的沟通来提高制造效率。
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。反过来，这会产生大量数据，使芯片制造商能够在制造流程的早期查明问题。
一些晶圆厂设备还包含机器学习。作为人工智能 (AI) 的一个子集，
机器学习
使用系统中的高级算法来识别内联数据中的模式、学习并从信息中做出预测。
机器学习用于半导体工厂的一些但不是所有部分。它在检测设备中大量使用，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封装领域。事实上，一些内存制造商开始转向所谓的“无人值守”组装设施，其目标是消除操作员干预，从而降低成本。
最近，几家拥有封装单元的
OSAT
和芯片制造商也朝着类似的方向发展。通常，许多包装厂部署了各种类型的工厂自动化系统，包括自动导引车 (AGV)、轨道导引车 (RGV) 和高架运输系统。
焊线机供应商已开发出与这些系统通信的接口。“AVG 包括一个机器人，它在引线键合机设备的前面移动，提供未键合部件的库，然后拾取完全键合部件的库，”K&S 的 Foley 解释说。“我们还看到了轨道引导车辆，其中一排排焊线机是背靠背的，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，在高架传输机制中，机器人载体在高架传送带中围绕工厂移动。承运人可以拾取和放下未粘合或粘合的零件。
除了自动化方面，高端焊线机还结合了计算机视觉系统和机器学习来控制缺陷。使用这些算法，键合机可以检测球键是否太大或太小。这是众多应用之一。
“目前的重点是实现实时过程监控和故障检测。键合机上的关键子系统提供了大量数据，我们正在添加额外的传感器以实现更高级的检测。我们正在实时监控数据并使用先进的机器学习算法，”Foley 说。
最初，汽车客户推动了这些发展。汽车制造商希望在包括引线键合在内的工艺中实现零缺陷。现在，所有客户都想要这些功能。
一段时间以来，业界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。
ASE
首席运营官 Tien Wu在最近的一次电话会议上表示：“我们看到所有行业都出现了广泛的增长，势头至少会持续到 2022 年。” “2021 年，我们看到先进封装收入同比增长 23%。我们确实预计 2022 年的增长率会好于这个数字。2021 年的引线键合收入增长了 36%。我们继续看到引线键合满载。我们确实预计 2022 年的引线键合收入将实现两位数的增长。”
这就是好消息。坏消息是，对于大多数客户而言， 有厂商的焊线机的交货时间为 6 到 7 个月。作为回应，他们正在扩大其制造能力。其他焊线机供应商也看到了类似的需求。
“从 2021 年起，全球对 5G、联网设备、汽车和内存的持续需求将持续，”K&S 的 Foley 表示。“预计 2022 年封装半导体的增长将比 2021 年连续下降，尽管这仍然是历史行业平均水平的近 2 倍。”
早期，引线键合用于组装简单的封装。随着时间的推移，引线键合封装变得更加复杂。例如，在 2000 年代，出现了 QFN。
QFN 属于引线框架封装系列。引线框架是带有延长引线的合金框架。在 QFN 中，芯片连接到框架上。然后，使用焊线机，细线将芯片连接到每条引线。最后，封装封装。
QFN 在今天被广泛使用，但它们更复杂。“我们看到了具有三到四层的多层 QFN，以容纳更多的 I/O。我们看到更大的 QFN (<12mm)，”JCET 的 Lee 说。
焊线机用于其他复杂的封装类型。“今天，我们正在做更多的球栅阵列 (BGA)、板上芯片 (COB) 和多芯片模块 (MCM)，”Promex 的 Medina 说。“尽管由于引脚数较少，它们并没有过多地突破界限，但传感器是另一个重要的引线键合应用。许多传感器需要在最终应用中接触到芯片表面，因此使用引线键合进行互连是理想的选择。”
内存是引线键合的另一个重要驱动力。2016 年，Apple 推出了 iPhone 7。这款手机堆叠了 16 个 NAND 闪存芯片，可实现 128GB 的存储空间。每个芯片都以金字塔状堆叠，并使用微小的引线键合线连接。
如今，内存供应商正在一个封装中堆叠 8 或 16 个 NAND 闪存芯片。在研发方面，该行业正在开发 24 芯片堆叠封装。
这一趋势提出了一些挑战。“内存芯片将非常大而且非常薄。
因此，处理这些易碎芯片需要使用专门的无针拾取工具，以最大限度地减少压力并降低这些过程中开裂的风险，” Amkor
的高级工程师 Knowlton Olmstead在一段视频中说。“这些薄裸片也会在裸片堆栈中有突出部分。这需要选择合适的芯片贴装薄膜和模塑复合材料，以最大限度地减少封装中的翘曲和应力，防止最终组装的封装出现故障。”
这不是唯一的问题。“增加封装中堆叠die的数量，同时保持较低的封装高度会在多个领域带来挑战。在降低基板'Z'高度以允许更高的堆叠方面不断进行改进，”Olmstead 说。“沿着管芯级联的引线键合也需要以可控的方式进行，因此它可以最大限度地减少整个悬垂区域的压力。此外，我们希望保持较低的引线键合环高度，这使我们能够拥有非常低的die到die间隙高度。”
显然，焊线机是半导体生态系统的重要组成部分。尽管先进封装得到了增长和关注，引线键合仍将继续用于许多封装类型。
采购足够的焊线机是目前的一大挑战。但在某些时候，引线键合能力会过剩，这是一种较旧但关键的技术的周期性。
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