【博主简介】本人“爱在七夕时”，系一名半导体行业质量管理从业者，旨在业余时间不定期的分享半导体行业中的：产品质量、失效分析、可靠性分析和产品基础应用等相关知识。常言：真知不问出处，所分享的内容如有雷同或是不当之处，还请大家海涵。当前在各网络平台上以此昵称为ID的均是我本人，有兴趣的朋友可以关注我后一起交流学习！
半导体制造中的引线键合（Wire Bonding）是指在半导体器件封装过程中，实现芯片（或其他器件）与基板或框架互连的一种方法。作为最早的芯片封装技术，引线键合因其灵活和易于使用的特点得到了大规模应用。引线键合工艺是先将直径较小的金属线（一般是直径为25μm 的金线）连接到芯片的金属焊盘（一般是铝焊盘）上，再将金属线的另一端连接到基板或框架上从而形成互连。该工艺利用调节温度、压力、超声波能量和时间参数，实现芯片与基板或框架间的电气互连、芯片散热和芯片间的信息互通。
引线键合（Wire Bonding）属于固相键合中的一种，其键合原理是引线与芯片焊盘间发生电子的跨区迁移、共享及不同原子的相互扩散，使金属实现原子量级上的键合，从而实现稳定可靠的连接，而这键合中的“线弧成形”便是连接芯片焊盘与封装引脚的关键步骤。
一、键合线弧成形的简述
键合线弧，英文全称：Wire Loop，它的成形是指通过精密控制键合头（劈刀）的运动轨迹，将金属引线拉成特定高度和形状的弧状连接的过程，这一环节直接影响着微电子封装的稳定性、可靠性以及封装密度。
线弧（Wire Loop）成形的过程始于第一焊点（通常为金/铜 球焊）在芯片铝垫上完成压焊后，键合头迅速抬升至预设的“线弧高度”（Loop Height），同时送线机构释放适量丝材。随后，键合头沿X-Y平面按设定轨迹（如直线、反向或高/低弧形路径）平稳移动至第二焊点位置（如引线框架）。
在此移动过程中，丝材在自身重力、表面张力及送线张力的共同作用下自然下垂，形成所需的三维弧形结构。线弧（Wire Loop）的形状直接影响器件的电气性能、机械可靠性和封装密度。到达第二焊点后，设备施加力、超声波和热量完成尾部压焊；接着键合头快速向上提拉（Z-Tear动作），配合电子打火（EFO）在精确位置熔断线尾，留下合适长度的尾丝，为下一次烧球做准备。整个过程需高精度控制高度、速度、张力与时间，以确保线弧（Wire Loop）一致性、避免短路或崩塌。
二、线弧（Wire Loop）成形的过程
1、楔形键合
丝材楔焊的键合工艺首先是将丝材通过过线管和线夹再穿入键合机楔焊劈刀并到达其顶部（预留的线尾长度一般为1～2 mm）。然后劈刀下降到第一键合点，键合机探测到劈刀与压焊面的接触后启动超声波换能器，根据参数设定的超声功率和压力以及超声波发生的时间，对第一键合点进行键合。第一焊点键合完成后，键合头抬起并将劈刀上升到键合线弧（Wire Loop）的顶端进行拉弧（在劈刀上升和下降过程中线夹处于打开状态）。
拉弧结束后，劈刀下降，从劈刀中伸出的引线首先接触到压焊面。当劈刀继续向下移动时，键合压力进行反馈，超声波换能器作用并形成第二压焊点。二焊完成后，线夹关闭并扯断丝材，之后线夹送线，劈刀从压焊面上升到适当的高度，按照可调的送线线长和时间间隙留出尾丝，并循环进行第二次键合，如下图所示：
此类方式的键合焊盘尺寸必须支持厂的键合点和尾端，焊盘长轴必须在丝材的走线方向，焊盘间距因适合于固定的键合间距。
2、球型键合
丝材球键合是将丝材通过过线管和线夹再穿入键合机毛细管劈刀（球焊劈刀） 并到达其顶部（通过送线机构预留一定长度的线尾），利用键合机负电子高压打火（-3 600 V 或-4 500 V）击穿空气并产生电火花以融化线尾，在表面张力作用下形成标准的球形（球直径一般为线径的2～4 倍）。紧接着下降劈刀搜索焊点，在适当的压力和超声时间内将金球压在电极或芯片上，完成第一焊点的键合。然后劈刀拉弧线后运动到第二焊点焊盘位置下压，通过球焊劈刀的外壁对丝材施加压力完成第二焊点，之后扯线使丝材断裂，劈刀通过线夹送出尾线并提升至打火位置，再次打火成球并形成键合循环的工艺过程，如下图所示：
此类方式的键合一般弧度高度是150μm，弧度长度要小于100倍的丝材直径；键合头尺寸不要超过焊盘尺寸的3/4，球尺寸一般是丝材直径的2到3倍，细间距约1.5倍。
三、压焊线弧（Wire Loop）轨迹形成讲解（KNS）
关于以下讲到的压焊线弧（Wire Loop）成形便是本章节要跟大家重点分享的内容，此部分将以KNS为例，用图片演示的形式详解线弧（Wire Loop）形成的轨迹过程：
因为本PPT章节太多，剩下部分如有朋友有需要，可私信我邀请您加入我“知识星球”免费下载PDF版本。注意：此资料只可供自己学习，不可传阅，平台有下载记录，切记！欢迎加入后一起交流学习。
四、线弧（Wire Loop）成形的核心工艺
劈刀的运动轨迹直接决定线弧（Wire Loop）形状，其中反向运动（Reverse Motion） 是最关键的设计。它的逻辑是“先退后进”：在形成第一焊点后，劈刀先垂直上升，再反向（远离第二焊点方向）水平移动，故意把线“折”出一个弯，然后才向第二焊点移动。这样做的目的是：
1、形成“折点”
反向运动会在金线上制造出明确的塑性弯曲点，这些折点构成了线弧（Wire Loop）的“骨架”；
2、降低弧高
通过精确控制反向运动的距离和高度，可以把线弧（Wire Loop）压得很低，满足超薄封装的需求。目前低弧工艺的弧高可控制在50微米以下，甚至接近零高度；
3、保护颈部
反向运动形成的折点能承受后续拉扯力，防止力量传导到第一焊点脆弱的颈部，避免断裂。
五、线弧（Wire Loop）成形的作用与要求
因为线弧（Wire Loop）成形的主要作用是实现可靠的电气互连与物理保护，其核心要求是线弧（Wire Loop）高度、跨度及形状必须精确可控 。以下是具体的作用与成形要求：
1、作用
a. 实现电气互连
将裸芯片的焊垫（Ball Bond）与封装框架/基板的引脚（Stitch Bond）通过金属引线（金线、铜线、铝线等）连接起来，完成芯片与外部电路的信号传输。
b. 提供物理保护
合适的线弧（Wire Loop）能够避免金属引线接触到封装外壳或邻近的引脚，防止短路或擦伤；同时能吸收部分应力，保护脆弱的细金属线。
2、要求
a. 线弧（Wire Loop）高度与跨度
必须根据封装结构、引脚间距以及焊盘位置进行精确设计，确保线弧（Wire Loop）最低点与最低封装件之间留有足够的间隙 。同时，线弧（Wire Loop）不能过高（避免与外壳干涉）也不能过低（避免擦伤或短路）。
b. 线弧（Wire Loop）形状一致性
线弧（Wire Loop）应圆润、对称且 跨度均匀 ，避免产生尖角或局部应力集中，从而防止引线在后续测试或使用中断裂。
c. 键合点牢固
线弧（Wire Loop）两端的焊垫和引脚焊区必须通过热、压力与超声波能量实现紧密焊接，达到原子量级的牢固键合，保证电气连接的可靠性。
六、线弧（Wire Loop）成形的主要工艺类型及控制参数
根据封装结构、高度需求和劈刀轨迹的不同，线弧（Wire Loop）成形主要分为以下几种：
1、传统线弧 （Wire Loop）
也叫标准三角弧（STD），其线弧（Wire Loop）高度通常在 100~200μm 范围内，轮廓主要取决于金线材料属性、焊盘间距和阶梯高度，对劈刀运动参数相对不敏感。
此类线弧（Wire Loop）适用于常规封装，操作时间短。
2、超低弧线弧（Low Profile Wire Bonding）/压扁弧
线弧（Wire Loop）高度可控制在 <80μm ，甚至接近零高度的扁平连接， 用于叠层芯片等极限空间。劈刀会将丝材水平压扁在芯片上方，形成近乎扁平的连接，对送线、起弧、落点的每一个轨迹点精度要求极高。
核心工艺 ：利用高精度键合机精确控制送线、起弧与落点的轨迹，配合工艺参数将键合丝水平压扁于芯片上方；
应用场景 ：专用于解决上下层芯片高度不足、堆叠封装厚度受限等先进电子产品封装需求。
3、梯形弧/低弧（LOW）
用于低弧度场景。其形状高度依赖劈刀的运动轨迹（如反向角度、折点位置），参数微调即可大幅改变形状；
4、三维抗摆弧
用于抗塑封料冲击。劈刀在三维空间运动，使线弧（Wire Loop）在水平面投影上呈中心对称，利用折点产生的空间弯矩抵抗侧向变形；
5、高级/多层线弧 （Wire Loop）
针对多排或多层引线封装；
底层引线 ：尽可能控制得低；
高层/顶层引线 ：需要较高的线弧（Wire Loop）高度以跨越底层引线，且跨度长且平，线弧（Wire Loop）外形呈“长、平”状，在接近第二次键合位置时形成大幅度的尖锐拐角。
七、线弧（Wire Loop）成形的影响因素与精密控制
线弧（Wire Loop）成形过程受到诸多不确定因素（如电极间距、电能传递、电弧起伏等）的影响，为了确保成形质量，主要依靠以下技术进行控制：
1、键合头运动控制
键合头的运动精度对线弧（Wire Loop）轮廓有极大影响，需要确定线弧（Wire Loop）成形路径规划的算法，建立运动控制系统以满足运动需求。
另外，还需要采用基于连杆、弹簧模型的线弧（Wire Loop）轮廓预测模型，并利用 田口方法 分析劈刀运动轨迹对引线轮廓的影响。
2、设备与材料匹配
a. 劈刀控制
在超低弧线弧（Wire Loop）中，劈刀需采用 力的模式 下压，确保线弧（Wire Loop）受力均匀，防止线弧（Wire Loop）颈部断裂；
b. 线材选择
需选用延展性较好的线材（如直径20μm的金丝）以支撑低高度且稳定的成形。
3、过程监控
通过高速摄像记录引线键合过程，获取序列图像并进行图像处理，从而精准提取劈刀运动参数和各位置的线弧（Wire Loop）轮廓。
八、引线键合（Wire Bonding）的主要失效与可靠性失效模式
既然讲引线键合（Wire Bonding）的压焊线弧（Wire Loop），也顺便延伸跟大家分享一下关于键合的一些主要失效和可靠性失效模式：
1、主要失效模式
（1）焊盘产生弹坑(Cratering)
这是超声键合中常见的一种缺陷，指焊盘金属化下面的半导体玻璃或者其他层的破坏。像一块草皮形状，更一般的是难以肉眼看得见。它会影响电性能。原因有多种：过高的超声能导致Si晶格点阵的破坏积累、太高或者太低的键合压力(wedge) 、球太小导致坚硬的键合头接触了焊盘。1.3微米厚的焊盘发生破坏的可能性小，小于0.6微米厚的焊盘容易破坏。丝材和焊盘硬度匹配可达到最优的效果，在AI的超声键合中，丝材太硬容易导致弹坑的产生。
其产生的原因主要为：
a. 超声波能量过高导致SI 晶格错层
由于丝材键合属于热超声键合工艺，在键合过程中需要施加超声波能量，过大的超声波能量会穿透金属层进而造成底层SI 晶格沿水平方向横向错位，导致电性能损伤，造成器件失效。
b. 键合压力过高导致底层材料破损
键合过程中的压力是瞬时施加的，在极短的时间内施加的压力较高则会造成金属层极大的变形，同时竖直向下的压力会造成底层材料的破碎，进而形成弹坑现象。
c. 线尾过短导致球焊烧球过小
过小的金球在键合过程中缩回球焊劈刀中，导致劈刀代替金球下压，从而由劈刀外壁对底层材料造成了破坏。
d. 焊盘金属厚度过薄
焊盘金属一般和金线的硬度要匹配，匹配好的焊盘金属需要控制镀层的厚度，根据失效实验数据比较，0.6 μm 以下厚度的焊盘在进行键合时，由于焊盘金属与丝材共同塑性变形，其应变力无法满足键合要求，因此造成底层材料损坏，形成弹坑。
（2）键合点开裂和翘起
键合点的后部过分地被削弱，而前部过于柔软会导致开裂。在弧度循环中丝线太柔软也是一个导致这种现象产生的原因。这种开裂常常发生在AI楔形键合第一点和球形键合的第二点。
其产生的原因为：
a. 丝材楔焊的第一点开裂主要是由于超声能量过大或键合压力过大造成的，较大的能量瞬间施加于金丝上，超过了丝材本身能够承受的塑性变形，造成烂点现象。丝材球焊的第二点翘起则主要是由于超声能量过小或键合压力过小造成的，因为劈刀施加的能量过小，第二焊点未完全完成塑性变形，导致焊点与焊盘间的金属结合能力不足，同时由于键合机扯线的动作会造成第二点翘起。
b. 键合劈刀由于长时间磨损，造成劈刀的机械形状发生改变，这导致劈刀在相同能量的情况下产生的焊点变形不同，进而造成键合点开裂和翘起。
c. 丝材的氧化和焊盘腐蚀会造成相关失效。丝材长时间暴露在空气中会被氧化，同样，焊盘在含水分子和污染物的环境中也会被腐蚀，使丝材或焊盘表面金属发生化学性质改变，进而造成材料塑性变形，键合时在相同的参数条件下产生不同的失效。
（3）键合点尾部不一致
丝材的通道不干净、丝线的进料角度不对、劈刀有部分堵塞、丝材夹太脏、不正确地丝材夹距或者夹力、丝线张力不对等。尾部太短会导致键合力加在过小的面积上，产生较大的变形;太长又会导致焊盘间的短路。
导致尾部不一致的因素有：
a. 引线表面脏污
当脏污的丝材通过毛细管劈刀或楔焊劈刀时，脏污会粘在劈刀口，导致线夹送线不顺畅，向下送出的尾丝力不一致，从而导致每次送线尾丝长短不一致；
b. 线夹的间隙不正确
线夹间隙较窄会对丝材造成损伤，导致丝材被“夹扁”，造成丝材从劈刀口送线困难，而线夹间隙较大则造成夹线松，会出现送线时长时短、尾丝长短不一致；
c. 送线通道的角度偏移
因为有些丝材本身较为柔软，送线通道角度偏移则会导致丝材在送线管道内“打弯”，这样在送线过程中，丝材的伸缩时长时短，造成每一次键合尾丝不一致；
d. 劈刀长时间使用
金属残留也会造成劈刀过线孔逐渐减小，当累积到一定程度后同样也会造成丝材送线困难，造成尾丝不一致。
（4）键合点剥离
当键合头将丝材部分拖断而不是截断的时候会发生这种情况。常常由于工艺参数选择不对或者是工具已经老化失效的原因。
键合点脱落的因素主要有：
a. 芯片键合区域的污染或胶质残留可形成钝化绝缘层，管壳的镀金层质量不高会造成表面疏松、起皮等现象，在含有水汽、氧、氯等气体的环境中，金属会被氧化、硫化生成绝缘夹层，造成键合时键合点脱键；
b. 金属化层缺陷，当芯片金属化层过薄，使得键合时无缓冲作用，从而在键合处形成缺陷，导致芯片金属化层粘附不牢，产生键合点脱键；
c. 材料间热应力、机械应力和超声应力等接触应力不当，应力过小会产生键合点脱键。
（5）引线根部裂纹或变形
根部裂纹或变形的现象是引线键合点弯曲疲劳，多出现于丝材楔焊的第一焊点，这种失效在器件振动或超声波清洗后会发生键合点脱落的现象，造成较大的损失，如下图所示：
其主要原因有三点：
a. 键合操作中的机械疲劳
当第一焊点焊接完成后进行拉弧操作时，由于弧线（Wire Loop）高度或长度参数设置错误或人为的原因造成丝材折弯成较大的角度，而当继续拉弧时，由于第一焊点根部已经受到机械疲劳的影响进而产生根部裂纹，如下图所示：
b. 温度循环导致的热应力疲劳
由于劈刀加热的影响，丝材在焊接前即进行加热，由此产生软化效应，这能够降低丝材键合的难度，但同时过高的问题也会导致热应力疲劳，在进行拉弧的时候可能会产生根部断裂的情况；
c. 弯曲半径较小产生的弯曲断裂
引线闭环情况下产生的拉弧高度对引线根部有重要影响，当引线键合的拉弧高度≤键合点间距的25%时容易产生引线的根部裂纹。
（6）引线框架腐蚀
镀层污染过多和较高的残余应力会导致这种腐蚀。例如合金或者铜上镀Ni就会发生中问题；在组装过程中，引脚弯曲会产生裂纹，并暴露在外部腐蚀条件下，同时应力腐蚀导致的裂纹也会萌生；在一定温度、湿度和偏压下，腐蚀就会因为污染、镀层中的孔隙等而发生。
2、可靠性失效模式
（1）IMC形成
金属间化合物一般包含2种以上的金属元素。它随着时间和温度的增加而长大，容易导致机械和电性能的破坏。主要原因是柯肯达尔空洞（Kirkendall void）和IMC的生长密切相关。空洞在键合点下面会导致电阻的升高和弱化机械强度。
（2）丝材弯曲疲劳
键合点根部容易发生微裂纹。器件在使用中，这种微裂纹在丝材的膨胀和收缩下会沿丝材扩展。丝材的弯曲会导致键合点根部应力的方砖，最后导致疲劳失效。
（3）键合点翘起
键合过程中,键合点的颈部容易发生断裂，导致电气失效。
（4）键合点腐蚀
腐蚀容易导致电气短路和断路；腐蚀是在潮气和污染条件下发生。
（5）金属迁移
从键合焊盘处的枝晶生产是IC一种失效机制；本质上一种电解过程，在金属、聚集的水、离子群以及偏压的存在下，金属离子从阳极区迁移到阴极区。
（6）振动疲劳
一般振动疲劳的失效发生在超声清洗中，建议频率为20-100kHz。
九、线弧（Wire Loop）成形主要失效模式与挑战
线弧（Wire Loop）成形不当会引发以下两类典型的失效：
1、颈部断裂
追求低弧时，第一焊点颈部承受过大弯曲应力。研究表明，线弧（Wire Loop）越低，颈部断裂可能性越大。可通过优化反向段长度（宜低）、成型因子和反向段高度（宜高）来缓解；
2、线弧塌陷/侧摆
注塑时树脂流动冲击线弧（Wire Loop）。长跨度细丝材极易变形，导致相邻引线短路。需采用抗侧摆的三维弧线或增加线弧（Wire Loop）刚度。
十、线弧（Wire Loop）成形的控制与应用策略
线弧（wire loop）成形的核心在于控制键合参数以优化抗外力性能，其应用策略主要集中在改善丝材物理缺陷和提升封装良率上 。具体控制方法与策略如下：
1、基础控制目标
建立线弧（Wire Loop）成形的数学模型（如基于连杆弹簧模型预测轮廓），并通过实验（如高速摄像记录）验证模型，以达到最佳的精密运动控制；
2、多排引线/复杂封装控制
a. 防短接与间距控制
在不能增加封装整体高度的前提下，底层引线需尽可能低，高层引线需保证较高的线弧（Wire Loop）高度、长且平的跨度，以防键合丝之间发生短接。
b. 高级线弧（Wire Loop）形状
当传统工艺无法满足高度间距要求时，需采用高级线弧（Wire Loop）形状。它在键合位置形成较高线弧（Wire Loop），在接近二次键合点时形成大幅度尖锐拐角进入，但这会增加操作时间并引入功能挑战。
十一、线弧（Wire Loop）成形工艺未来发展前景与挑战
半导体引线键合线弧（Wire Loop）成形的未来发展前景广阔，但挑战同样突出：
1、前景方面
铜线及钯铜线因成本与性能优势正加速替代金线，其更高的机械强度使得更低、更长的线弧（Wire Loop）轮廓成为可能，为高密度封装提供了工艺基础。
引线键合正向细间距（<40µm）、低损伤、高可靠和智能化过程控制演进，在传感器、LED、功率器件、汽车电子及SiP封装中仍具强劲生命力。
此外，FOWLP中的垂直铜线互连、EMI屏蔽线弧（Wire Loop）等新兴应用正在拓展线弧（Wire Loop）成形的功能边界。
2、挑战方面
首要问题是铜线带来的工艺敏感性——铜线硬度更高、更易氧化，对颈部损伤的控制要求远严于金线。
线弧（Wire Loop）成形在追求超低弧高时，颈部断裂风险显著上升，需要通过材料织构控制和动态工艺补偿来平衡。
其次，引线键合面临倒装芯片、硅通孔等替代技术的竞争压力，在高端高密度场景中市场空间受到挤压。
最后，汽车电子等领域对“零缺陷”追溯的要求，叠加贵金属价格波动与地缘供应链风险，对线弧（Wire Loop）成形的工艺一致性和成本控制提出了更高要求。
十二、写在最后面的话
综上所述，线弧（Wire Loop）成形作为连接芯片与外电路的关键结构，优质线弧（Wire Loop）可降低封装应力与失效风险，保障电气连接稳定。随着半导体封装向微型化、高密度发展，精细化线弧（Wire Loop）成形控制已成为提升封装可靠性、适配高端芯片封装的核心工艺保障。
展望未来，铜线及钯铜线加速替代金线，其更高强度使更低、更长的线弧（Wire Loop）成为可能。引线键合正向细间距、低损伤、高可靠和智能化控制演进，在传感器、LED、功率器件、汽车电子及SiP封装中仍具强劲生命力。
审核编辑 黄宇