來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自se，謝謝。
過去幾年，對 IC 封裝的需求激增導致引線鍵合機的交貨時間延長，用於組裝全球四分之三的封裝。去年，隨着先進封裝的興起，焊線機市場翻了一番。引線鍵合是一種較老的技術，通常不為人知。儘管如此，封裝公司仍擁有大量此類關鍵工具，因為它們可幫助組裝許多（但不是全部）封裝類型。多年來，客戶要求更快、功能更強大的焊線機。作為回應，焊線機供應商開發了更快的系統，包括那些具有人工智能缺陷檢測和工廠自動化功能的系統。引線鍵合與銅混合鍵合完全不同，後者是一種用於芯片堆疊、封裝和其他應用的更先進且成本更高的技術。儘管如此，在引線鍵合方面，封裝客戶面臨着重要的新挑戰。一段時間以來，由於該領域的巨大需求，許多封裝公司的引線鍵合能力已售罄。如此多的封裝公司需要更多的焊線機來滿足需求。只有一個問題。去年 8 月，許多類型的焊線機的交貨周期飆升，徘徊在 10 個月左右。到 2022 年，情況雖然正在改善，但這仍然是一個問題。所有這些都會影響許多封裝類型的交付時間表。「2021 年出現了對焊線機的恐慌性購買，OSAT 和其他公司甚至為 2022 年需求下訂單，因為他們擔心在訂購隊列中為時已晚，」Needham 分析師 Charles Shi 表示。「現在的交貨時間可能短於六個月。需求仍然強勁，但訂購量正朝着更溫和的水平發展。」引線鍵合一直是半導體生態系統中充滿活力但默默無聞的一部分。這些鍵合機發明於 1950 年代，用於在封裝內創建低成本的有線互連。互連用於將一個die連接到另一個die，或連接到封裝中的基板。隨着時間的推移，焊線機不斷發展並成為許多封裝類型的主力組裝工具。TechSearch 報告說，當今 75% 到 80% 的封裝是基於引線鍵合的。焊線機用於低成本傳統封裝、中端封裝和內存芯片堆棧。引線鍵合是組裝過程的關鍵部分。在組裝流程的一個示例中，使用芯片連接系統將芯片放置在帶有金屬引線的小矩形框架上。然後，引線鍵合機將這些部件高速自動連接到芯片上的細線到金屬引線上，形成電氣連接。最後，使用不同的系統，將結構封裝起來，形成一個封裝。圖 1：封裝中的 Wirebond 線。資料來源：K&S引線鍵合併不是在封裝中提供互連的唯一方法，它確實存在技術限制。除了引線鍵合之外，還有其他方案，其中使用更先進的互連方法在高級封裝中組裝兩個或更多die，例如扇出、2.5D 或 3D-IC。先進封裝往往占據大部分頭條新聞，並正在獲得可觀的市場收益。相比之下，基於引線鍵合的封裝是一項成熟的技術，具有個位數的增長率。即便如此，引線鍵合機正在飛速增長。根據 VLSI Research 的數據，2021 年全球銷售額達到 16 億美元，高於 2020 年的 8000 億美元。據該公司稱，到 2022 年，預計市場將保持平穩，銷售額為 16 億美元。最新的高端焊線機具有機器學習和工廠自動化功能。在這些系統上學習有助於防止缺陷偏移，同時無需人工干預即可操作。貝爾實驗室曾經是世界領先的研發機構，1957 年，他們發明了第一台焊線機。（貝爾實驗室也在 1947 年展示了第一台晶體管。2016 年，諾基亞接管了貝爾實驗室。）在貝爾實驗室的幫助下，Kulicke & Soffa (K&S) 於 1959 年開發了第一台商用引線鍵合機，該系統為採用新型廉價封裝的芯片鋪平了道路。早期的焊線機是手動系統，用於組裝簡單的雙列直插式封裝 (DIP) 和其他商品。在 DIP 中，芯片位於帶有引線的金屬框架上。鍵合機通過細線將管芯連接到引線。引線鍵合最初是一項勞動密集型任務。從 1960 年代開始，許多北美芯片製造商開始將其組裝廠從美國轉移到亞洲的低成本地點。需要人工操作員將未粘合的零件移動到粘合機上，然後將它們裝入機器中。早期，引線鍵合機演變為兩種類型：球（ball）鍵合機和楔形（wedge）鍵合機。最大的市場球焊機用於多種封裝類型，並使用銅、金或銀線。楔形鍵合機用於功率器件。通常，球焊機由監視器、鍵盤、處理器和傳送系統等單元組成。在球焊機應用中，假設您想在芯片上的焊盤與位於芯片外的單獨引線柱之間形成有線連接。在操作中，線軸被加載到系統中。從線軸上，一根線通過帶有微小空心管的單元送入。在系統中，會產生火花，將線端熔化並在尖端形成球形。接下來，鍵合機在將接線從柱沉積到鍵合焊盤的同時進行掃描。然後，在球焊機中，焊盤上的球被機械壓緊以電固定連接。capillary tube縮回，完成芯片焊盤和引線之間的導線環。接下來，重複高速過程，直到連接了封裝中所需的每個連接。簡而言之，引線鍵合是一種在封裝中進行互連的低成本方式。但幾年前，由於技術需求的增加，焊線機本應消失。「早在 1970 年代末和 1980 年代初，人們就在談論先進的封裝擦除引線鍵合，」VLSI Research 首席執行官 Dan Hutcheson 說。但這從未發生過。在 1980 年代，自動焊線機的出現幫助簡化了該過程。「如果你考慮引線鍵合，你有這個引線框架，並且引線延伸出來。在芯片所在的焊盤中，這些引線之間有一個空間，」Hutcheson 說。「如果裸片尺寸發生變化，也沒關係。您所要做的就是重新編程焊線機。」總而言之，引線鍵合很早就開始了。「最大的原因是因為它更便宜且更靈活，」Hutcheson 說。「有兩件事推動了增長。一是包裹總數。需要粘合的不僅僅是包裝。這也是任何特定年份需要綁定的潛在客戶數量。」焊線機用於製造多種封裝類型。每個封裝都有不同數量的鍵合線，具有不同的線長、環和間距。間距大於晶圓上的線中心到中心或焊盤中心到中心之間的空間。K&S 產品開發總監 John Foley 表示：「我們在每次新設備開發中推動的主要兩項舉措是提高鍵合機的吞吐量並降低其鍵合焊盤間距能力。「在 2000 年代末期，客戶將焊盤間距降低到 40μm，最近又轉向 35μm 焊盤間距。今天，我們的設備能夠實現 30μm 的串聯焊盤間距，儘管大多數應用還不需要這種能力。」如今，在引線鍵合封裝中，主流鍵合焊盤間距範圍為 40μm 至 45μm。「根據該要求，導線直徑穩定在 0.7 至 0.8 密耳直徑，具體取決於焊盤間距。隨着我們向 35μm 焊盤間距邁進，將需要 0.6 密耳直徑的導線，」Foley 說。儘管如此，引線鍵合仍存在一些挑戰。一方面，封裝變得更加複雜。QP Technologies的母公司 Promex 的銷售和營銷副總裁 Rosie Medina 表示：「過去，我們粘合了更舊、更笨重的封裝，例如塑料引線芯片載體 (PLCC) 和 DIP 。「改變的是需要更小的焊盤開口、更高的引腳數/更細的間距和交錯的焊盤——所有這些都適合定製基板和封裝。」雖然封裝變得更加複雜，但焊線機本身必須保持領先地位。「對於高產工藝，您需要低循環。您需要必須在高速（> 25g 的加速度）下均勻形成的小型球形球，」JCET首席技術官 Choon Lee 說。可靠性是關鍵，銅是鍵合的主流線型，價格便宜且導電率高。但是銅會腐蝕，導致引線鍵合封裝失效。這是由於模塑化合物中存在氯等鹵素。焊線機供應商已經應對了所有這些挑戰。使用價格合理的無鹵素化合物可以防止上述故障模式。儘管如此，客戶仍需要功能更強大、速度更快的設備。近年來，引線鍵合產量每年大約提高 2%。吞吐量取決於幾個因素，例如封裝類型和線數。在低端，LED 可能有 2 到 3 根電線。四方扁平封裝 (QFP) 是一種常見的封裝類型，每個器件的線數從 50 到 80 不等。「我們看到高端封裝有超過 2,000 根電線。這將適用於實用智能手機、平板電腦和物聯網設備中使用的芯片，」K&S 的 Foley 說。同時，引線鍵合已成為一項相當大的業務。根據 VLSI Research 的數據，在焊線機市場競爭的 14 家公司中，K&S 的份額超過 60%，其次是 ASM Pacific，份額超過 20%。這絕不是一個靜態的市場。多年來，引線鍵合封裝主要使用金線，因為該材料具有高導電性和可靠性。這種情況在 2009 年左右開始發生變化，當時全球市場的黃金價格上漲了 300%。潛在地，金價的飆升給引線鍵合封裝的成本帶來了麻煩。幸運的是，業界預見到了這個問題。甚至在危機之前，公司就開發了使用較便宜的銅線的焊線機。隨着從金線鍵合到銅線鍵合的遷移，供應商能夠將組裝成本降低多達 30%。如今，金線仍在某些應用中使用，但銅線幾乎在一夜之間成為了主流技術。下一個大拐點發生在過去一兩年，當時 ASM Pacific、K&S 和其他一些供應商開始制定各自的工業 4.0（第四次工業革命）計劃，也稱為智能製造。目標是通過使用新技術和更好的溝通來提高製造效率。這在半導體行業並不新鮮。多年來，芯片製造商轉向自動化程度更高的晶圓廠。然後，晶圓廠設備製造商在他們的系統中加入了更多的傳感器。反過來，這會產生大量數據，使芯片製造商能夠在製造流程的早期查明問題。一些晶圓廠設備還包含機器學習。作為人工智能 (AI) 的一個子集，機器學習使用系統中的高級算法來識別內聯數據中的模式、學習並從信息中做出預測。機器學習用於半導體工廠的一些但不是所有部分。它在檢測設備中大量使用，以幫助定位芯片中潛在的致命缺陷。其中一些技術正在進入封裝領域。事實上，一些內存製造商開始轉向所謂的「無人值守」組裝設施，其目標是消除操作員干預，從而降低成本。最近，幾家擁有封裝單元的OSAT和芯片製造商也朝着類似的方向發展。通常，許多包裝厂部署了各種類型的工廠自動化系統，包括自動導引車 (AGV)、軌道導引車 (RGV) 和高架運輸系統。焊線機供應商已開發出與這些系統通信的接口。「AVG 包括一個機器人，它在引線鍵合機設備的前面移動，提供未鍵合部件的庫，然後拾取完全鍵合部件的庫，」K&S 的 Foley 解釋說。「我們還看到了軌道引導車輛，其中一排排焊線機是背靠背的，有足夠的空間讓機器人在軌道上自動從機器後部裝載材料。」與此同時，在高架傳輸機制中，機器人載體在高架傳送帶中圍繞工廠移動。承運人可以拾取和放下未粘合或粘合的零件。除了自動化方面，高端焊線機還結合了計算機視覺系統和機器學習來控制缺陷。使用這些算法，鍵合機可以檢測球鍵是否太大或太小。這是眾多應用之一。「目前的重點是實現實時過程監控和故障檢測。鍵合機上的關鍵子系統提供了大量數據，我們正在添加額外的傳感器以實現更高級的檢測。我們正在實時監控數據並使用先進的機器學習算法，」Foley 說。最初，汽車客戶推動了這些發展。汽車製造商希望在包括引線鍵合在內的工藝中實現零缺陷。現在，所有客戶都想要這些功能。一段時間以來，業界對半導體芯片和封裝的需求前所未有，這推動了對更多組裝工具的需求。ASE首席運營官 Tien Wu在最近的一次電話會議上表示：「我們看到所有行業都出現了廣泛的增長，勢頭至少會持續到 2022 年。」「2021 年，我們看到先進封裝收入同比增長 23%。我們確實預計 2022 年的增長率會好於這個數字。2021 年的引線鍵合收入增長了 36%。我們繼續看到引線鍵合滿載。我們確實預計 2022 年的引線鍵合收入將實現兩位數的增長。」這就是好消息。壞消息是，對於大多數客戶而言， 有廠商的焊線機的交貨時間為 6 到 7 個月。作為回應，他們正在擴大其製造能力。其他焊線機供應商也看到了類似的需求。「從 2021 年起，全球對 5G、聯網設備、汽車和內存的持續需求將持續，」K&S 的 Foley 表示。「預計 2022 年封裝半導體的增長將比 2021 年連續下降，儘管這仍然是歷史行業平均水平的近 2 倍。」早期，引線鍵合用於組裝簡單的封裝。隨着時間的推移，引線鍵合封裝變得更加複雜。例如，在 2000 年代，出現了 QFN。QFN 屬於引線框架封裝系列。引線框架是帶有延長引線的合金框架。在 QFN 中，芯片連接到框架上。然後，使用焊線機，細線將芯片連接到每條引線。最後，封裝封裝。QFN 在今天被廣泛使用，但它們更複雜。「我們看到了具有三到四層的多層 QFN，以容納更多的 I/O。我們看到更大的 QFN (<12mm)，」JCET 的 Lee 說。焊線機用於其他複雜的封裝類型。「今天，我們正在做更多的球柵陣列 (BGA)、板上芯片 (COB) 和多芯片模塊 (MCM)，」Promex 的 Medina 說。「儘管由於引腳數較少，它們並沒有過多地突破界限，但傳感器是另一個重要的引線鍵合應用。許多傳感器需要在最終應用中接觸到芯片表面，因此使用引線鍵合進行互連是理想的選擇。」內存是引線鍵合的另一個重要驅動力。2016 年，Apple 推出了 iPhone 7。這款手機堆疊了 16 個 NAND 閃存芯片，可實現 128GB 的存儲空間。每個芯片都以金字塔狀堆疊，並使用微小的引線鍵合線連接。如今，內存供應商正在一個封裝中堆疊 8 或 16 個 NAND 閃存芯片。在研發方面，該行業正在開發 24 芯片堆疊封裝。這一趨勢提出了一些挑戰。「內存芯片將非常大而且非常薄。因此，處理這些易碎芯片需要使用專門的無針拾取工具，以最大限度地減少壓力並降低這些過程中開裂的風險，」 Amkor的高級工程師 Knowlton Olmstead在一段視頻中說。「這些薄裸片也會在裸片堆棧中有突出部分。這需要選擇合適的芯片貼裝薄膜和模塑複合材料，以最大限度地減少封裝中的翹曲和應力，防止最終組裝的封裝出現故障。」這不是唯一的問題。「增加封裝中堆疊die的數量，同時保持較低的封裝高度會在多個領域帶來挑戰。在降低基板'Z'高度以允許更高的堆疊方面不斷進行改進，」Olmstead 說。「沿着管芯級聯的引線鍵合也需要以可控的方式進行，因此它可以最大限度地減少整個懸垂區域的壓力。此外，我們希望保持較低的引線鍵合環高度，這使我們能夠擁有非常低的die到die間隙高度。」顯然，焊線機是半導體生態系統的重要組成部分。儘管先進封裝得到了增長和關注，引線鍵合仍將繼續用於許多封裝類型。採購足夠的焊線機是目前的一大挑戰。但在某些時候，引線鍵合能力會過剩，這是一種較舊但關鍵的技術的周期性。★ 點擊文末【閱讀原文】，可查看本文原文鏈接！
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