键合丝未来探究及与物联网关系

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• 日期: 2017-05-01
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　前言

　　连接芯片和基板（Substrate）的一级封装有键合丝（Wire bonding）和倒装芯片（Flip Chip）两种方法。后者凭借其出色的信号传递性能、大I/O数处理能力以及易于封装微型化的实现，在各种高级封装形式中得到广泛应用，然而预计到2020年，键合丝技术仍然是占主流的连接方式（大于80%的市场占有率）。其中的原因包括键合丝技术的成熟度及性价比高、该技术本身内源性的进步、对各种应用场合的普适性、最后尤其是物联网的兴起极大地促进了键合丝的应用和发展。

　　物联网市场容量大、应用场景广、低成本、节能要求高、极度依赖无线通讯技术的特点与键合丝技术吻合度高。本文试图阐明从物联网的应用特点来阐述键合丝技术与它的内在关联。本文还简要述及了键合丝技术在高速信号传输体系中的一些新的用途、新问题和趋势。

　　一、物联网的形成逻辑和市场（Building Block）

　　人类在不断开拓的新领域中周而复始地模拟着自然。如果将internet网络比做人体的主动静脉系统，移动蜂窝通讯网络（Cellular Network）则可比做人体的支路血管系统，物联网(IoT)则可以比做遍布全身的毛细血管系统。有趣的是在Internet Network、Cellular Network以及IoT网络内部，我们仍然还可以对其做类似的层级分类：例如Cellular Network[1]中就存在 Macro, Micro,Pico 和Femto多级别的机站来涵盖不同的区域，如图1所示。不同的机站的能耗结构也不同，如图2所示。

　　

　　图1.移动蜂窝通讯网络的各级别基站

　　

　　图2. 各基站的能量分布

　　在经历了个人计算机（PC）和智能手机（Smart Phone）两次电子技术浪潮后，我们正处于第三次电子技术革命的初期：万物互联的物联网时代（Internet of Thing）。PC的普及为internet网络大规模应用奠定了基础，智能手机的应用将移动蜂窝通讯网络（Cellular Network）与internet网络紧密相连，PC则通过WiFi无线连接技术连入internet, 将固定的网络拓展到更旷阔的移动空间。预计到2020年，物联网中互连的电子智能终端（IoT edge node）为500亿个,这些终端将连接2000亿个sensor[2], 连入到了这个由internet网络为主干、无线网络为扩展的网络体系中, 它们不断产生大量的数据和数据分析的需要。

　　物联网中的internet固定网络的主要发展方向为：更快处理速度的逻辑芯片（Logic）、更高数据存储密度的存储芯片(DRAM, 3D NAND)、以及处理芯片和存储芯片之间高速的信号传输速率。这方面的需求在过去、现在以及预计到2021年都主要由Moore定律所描述的、依靠芯片中晶体管尺寸的不断缩小、功能不断提升的方法来实现(transistor scaling)；另一方面则依赖高级封装技术（advanced packaging）的提升来进一步将系统小型化(SiP, system scaling)以及通讯技术的进步（例如高频Serdes以及5G通讯技术）。高级封装技术包括基于硅基板（Si Substrate）的2.5D、基于硅通孔技术TSV（Trough Silicon Vial）的3D 芯片堆叠技术（Stacked Dies）以及倒装芯片技术（Flip Chip）。可以预见系统的计算速率会进一步提升，但相应核心设备的功耗也会随之增加，虽然这些设备（例如网络服务器）都是插电的，不存在能源问题，然而像Google、 Amazon、 Facebook、阿里巴巴、腾讯等网络服务提供商的运营成本中最大的项目就是其数目众多的网络服务器的电费，降低能耗是他们降低成本的主要手段。

　　

　　图3. 基于手机蜂窝网络的物联网场景

　　如图3所示，物联网末梢网络（Edge node）的每一个智能终端（smart object）都可以看做为一个小数据（Little Data）的发生器，通过网络汇聚成大数据(Big Data)[3]。随着集成电路技术的进步，功能提升、能耗下降、尺寸降低的控制芯片（Logic）很容易和各种感应器（Sensor）、作动器（Actuator）形成的功能强大的嵌入式系统（embedded system），这些嵌入式系统或者这些分散的单个的Sensor 和 Actuator可以通过内置的RFID tags (无线射频识别标签)、NFC tags（近场通信标签），通过无线连接技术接入到Internet中，形成物联网的主体部分。

　　当然图3只是对物联网现状的一种简单描述。连入互联网的电子设备不一定只是通过移动蜂窝通讯网络（图中的mobile network在此特指Cellular network）, 而是可以通过其它无线技术连入到internet。通过移动蜂窝通讯网络是目前物联网无线通信技术中的最重要的技术之一，而且通过借由third generation partnership project (3GPP)的LTE(Long Term Evaluation)和LTE-A(Long Term Evaluation-Advanced)协议的智能手机做为控制中心，确实是目前物联网中无线技术在智能家居、智能保健医疗中的一些重要应用场景，却不一定是唯一的主要演进方向，目前移动蜂窝通讯网络的物与物联接只占到联接总数的10%，大部分的物与物联接通过蓝牙、WiFi等技术来承载。不过由中国华为牵头的NB-IoT可能很快会彻底颠覆这种局面。

　　

　　图4. 基于无线Zigbee的智能家居网络

　　一个更具体的智能家居应用场景的描述如图4所示，在此网络的末梢(Edge node)采用通过运行Zigbee无线通讯协议的网关（Gateway）来接入internet。图5是IoT无线网络的需求特点以及三个现有无线网络的特点，如何利用现有网络来满足IoT网络的多样化需要也是挑战（在此要区分无线网络和无线网络协议的区别）。图6是ASE所描述的物联网主要应用领域和相关市场容量。值得注意的是IDC预测物联网的年复合增长率高达31.72%（2015-2019），远高于半导体5.5%的增长率[4]。对于物联网2020年的市场容量，IDC的预测将是惊人的71万亿美元，远高于2015年整个电子行业的17万亿美元。

　　

　　图5. 现有无线网络与IoT网络的特性比较

　　

　　图6. ASE的物联网应场景分类和容量

　　

　　图7. 物联网的通用架构

　　二、物联网的特点与键合丝技术的内在吻合度

　　从以上的描述可知，广义上讲物联网应该包含internet网络在内的所有固定网络和移动网络形成的总体，狭义上讲物联网更强调的是分散的、通过各种无线通讯技术连入到互联网（internet）主体的各个分网络，尤其强调物（small object）与物之间的主要借助无线技术的直接沟通而无需人类的介入(Machine to Machine)。本文的物联网主要取狭义的概念，尤其针对其物联网末梢网络和其中的智能终端(smart object)。

它们突出了网联网的基本特征：

1.Heterogeneous(异质化,各种不同特质的信号感应器、作动器)

　　2. Small object mobility(IoT智能终端的可移动)

　　3. Duty-Cycling(间歇性工作特性)从应用的角度看它们体现出了低成本、低功耗、连接多样性（厂家, 技术和标准）的特点。

　　本文在此主要讨论这些特征与采用键合丝互联技术的必然性。在低成本方面主要体现为物联网芯片绝大多收采用传统成熟的技术节点。图7是IoT系统的通用架构。在最低层的物理感知层（Perception Layer）, 处于物联网末梢的嵌入式系统或传感器及其它智能终端（smart object）需要将自身所带的RFID（无线射频识别标签）和/或收集到有用信息，例如主体的位置、速度、环境中的压强、温度、粉尘浓度等信息通过网络层（Network Layer）发送出去。完成这些动作所需要的硬件包括：各种MEMS Senor 及其控制芯片、无线讯号传输芯片（RF-IC）。一个典型的IoT器件的结构简图8如下：

　　

　　图8. 一个典型IoT 器件的结构

　　

　　图9. 一个基于Zigbee的网关结构

　　图8中的Sensing部分，是各种MEMS Sensor，这方面一致以来都是由bonding wire来连接，目前主要是用金线和少量的银合金线。如图10所示的一个典型的MEMS Sensor封装形式。

　　

　　图10. MEMS Sensor 封装

　　图8中的DSP和图9中的Microcontroller是物联网器件中常用的控制芯片。实际上绝大多数物联网上的的智能终端（small object）都采用单片机(Microcontroller)做为控制中心，其芯片的制程也通常采用成熟的节点技术（Process node）,例如180nm, 近期为65 nm、55nm。图11是用于物联网的芯片分类。而这类芯片都会采用传统的低成本bonding wire键合方式。一般采用Flip Chip的芯片大多是28nm制程以下的。

　　在低能耗方面，由于物联网物末梢的智能终端绝大多数依靠电池来供电，需要从几个方面来保证它们10-15年之间的使用寿命（不换电池）：

　　1.IoT芯片采用基于RISC(Reduced Instruction Set Computing)指令集的ARM（AdvancedRISC Machine）, ARM（这里的ARM实际上还指一种芯片微结构，Micro-architecture）是RISC微处理器的代表作之一，广泛用于嵌入式系统（Embedded System）设计中, ARM处理器的最大特点就是节能。目前32位ARM处理器是IoT芯片的主流；

　　2. IoT芯片主要采用间歇性工作方式（Duty-Cycling），它大部分时间是处于休眠状态，只是在某些时段被唤醒而工作一段时间，随即回复到休眠态。一个典型的例子是在安防：只有当摄像头的sensor感觉到了视野中有物体的移动时，系统被唤醒开始摄像存储功能，视野中无物体移动一段时间后，系统又进入到休眠状态；

　　3. 采用低速、低功耗的无线传输协议。在无线传输技术上载波的频率越高则相应的功耗越大、覆盖的有效范围越小。所以在物联网末梢大多采用Blue Tooth 或者 Zigbee这种网络协议来实现低功耗，低速的无线通讯。物联网末梢的网关，如果也采用无线通讯的技术，也许由于由众多SO传到网关的数据量较大且需要实时处理的缘故，可能会采用相对高频的载波和无线通讯协议，例如Wi-Fi, LTE和LTE-A，而这些网关也大多是插电而不是依靠电池来工作。不过笔者研究发现目前即使针对这些物联网的相对高频的无线通讯应用，键合丝也同样胜任。后续有进一步说明。

　　

　　图11. IoT 芯片的processnode分布

　　在连接多样性上。除了少量的有线连接，例如Ethernet和USB。物联网大多采用无线通讯技术，相应的无线通讯协议有很多，包括Wi-Fi、LTE/LET-A、Blue Tooth、Zigbee。其中Wi-Fi是目前应用最广的通讯协议，现在通过Wi-Fi网络的通讯流量要高于通过Ethernet(以太，有线连接)和移动蜂窝通讯网络（Cellular）的总和。现阶段Wi-Fi的载波频率最高为5.15-5.825GHz, 信道带宽(Bandwidth)为675MHz，最高信号传播速率达到了6.76Gbps。

　　图12是Wi-Fi的技术演进路线图，图13是Wi-Fi技术的功耗效率随信号传输速率（Data Rate, Gb/s）增加而变化的关系图。显然Data Rate增加时，现有Wi-Fi技术的功耗效率也增加，但无法保证同比例增加，说明随着Data Rate的增加，功耗比会增加得更快。对于IoT系统末梢节点终端来说（Edge node），这样高的功耗和无线数据传输速率是不合适的。基于移动蜂窝通讯网络的LTE目前的载波频率700 MHz to 3.5 GHz。相应的下载速率为150Mbps and 300Mbps。值得说明的是中国华为公司所主导的NB-IoT是基于移动蜂窝通讯网络，其载波频率在800-900MHz之间，年内会进入商业运作，这会对整个局势有很大影响。Zigbee的载波频率为868MHz-2.4GHz，传输速率在20-250kbps， Bluetooth的载波频率为2.4—2.485GHz，传输速率在721kbps-50Mbps。相对于Zigbee, Bluetooth的能耗更高。通常这些无线通讯模块是集成到上述的单片机器中的，很少单独成片，而采用多芯片封装的形式。集成的芯片也采用键合丝的连接方式。说明键合丝在能够处理这些高频的载波的传输。

　　三、键合丝技术的普适性

　　在封装领域，对于大I/O数、能量以及高速率信号传输的体系，Flip Chip通常比键合丝技术能提供更大的设计自由度。这是因为bonding wire 和 Flip Chip中的bump在整个信号传递通道中都属于阻抗不连续区（impedance mismatch）,当高频信号在传输线（transmission Line）的传递过程中，遇到阻抗不连续区时，会发生信号的发射而阻碍信号的有效传递。flip chip的bump通常为60-100微米高，80-125微米直径的近似圆柱体，相比常见长度范围1 - 5mm，线材直径在15-35微米的键合丝来讲，前者对整个信道的传输性能影响要小很多。如果能消除阻抗不连续区的影响，键合丝的确是可以用于高速信号传输体系的。

　　

　　图12. Wi-Fi的技术演进图

　　

　　图13. Wi-Fi的功耗效率随DataRate变化图

　　

　　图14是电子系统中传输线的示意图。

　　其中a分图中的Zo是正常阻抗的传输线（transmission line）,最通用的规范是50Ω,Z1的阻抗不同于Zo，为阻抗不连续区，b分图中详细列出了信号传输线的各组成部分。

传输线每段的阻抗的数学表达式为：

因此要获得纯R的阻抗，需要

　　

而

　　

　　显然对于特定的工作频率区间，可以通过调整阻抗不连续区附近的电感L和电容C，来获得改善的整合后区域（包括原阻抗不连续区和及其修改后的那些附件区域,当然更直接的方法是针对阻抗不连续区进行重新设计。

　　使其近阻抗与纯电阻抗为50Ω的传输线。在传输线的不同部分所体现出的阻抗特性是不同的，键合丝通常表现为感抗L，而Chip Pad, Bond Pad通常表现为容性阻抗C。

　　基于各种局部[5]，区域[6]的调整，键合丝部分的阻抗可以得到改善可以用于各种不同传输速率在1Gbps-28Gbps和更高的情形。其中最有效的方法是降低键合丝的长度并且采用低弧高的线弧来增加键合丝与底部Cu ground回路之间的电容。从而将整个bonding wire的阻抗向50Ω纯电阻抗靠近，降低信号反射的强度，提升整体信道的带宽。

　　四、键合丝技术在高频信号体系和5G中的应用

　　上述这些阻抗修正法的一个缺陷是会影响整体线路的带宽（虽然比不修正时要好很多），所以有研究者提出了一种微同轴电缆的方法(micro-coax)[7]，其本质是将bonding wire变成了同轴线。该方法是在常规键合丝打线后，在线的表面涂覆一层厚度固定的介电质并在其表面再镀一层金属，最后在导地（Ground）的IC Pad位置，于介电质的外层金属上通过打通孔，将底层外层金属层与导地的IC Pad相连，详见图15。

　　在此,介电层的厚度要严格控制，因为它关系到最终的微同轴电缆的阻抗。

　　由

　　

　　决定：其中εr是介电质的介电常数，a是键合丝的直径，b是键合丝涂覆上介电质层的厚度。一个具体的实例如表1：

　　

图15. 微同轴电缆的制造过程

　　

　　表1. 微同轴电缆的参数

　　由于完全消除了阻抗不连续的因素，微同轴电缆能够支撑100+GHz的信号传输。

　　其它能够增加键合丝高频传输性能的因素还有

　　1.键合丝外层的介电质的介电常数；

　　2.表面电阻（由趋肤效应SkinEffect引起）；

　　3.表面粗糙度。

　　在整个键合丝技术的发展趋势中，金线的取代是最显著的趋势，其中今后应用最广的线材是镀Pd铜线，目前表面的Pd的厚度在40-100nm之间，如何有效降低Pd层厚度，在高频应用中有重要的意义，由于趋肤效应的存在，低Pd厚度在高频传输上有优势

　　

　　表2. Bonding wire 天线与常规天线技术的比较

　　在高频领域，键合丝在5G方面也显现出显著的优势，由于5G通讯的一个重要应用是毫米波技术（30-300GHz之间的电磁波），它将解决在都市某个局部区域（例如国际会议中心）（因为毫米波的可视直线覆盖范围只有200-300米）在召开一些重大事件时的无线通讯带宽的问题（可以支持10+Gbps的无线通讯速率）。其中bonding wire在天线方面表现做比常规天线更优越的性能。尤其在效率（Efficiency）和增益上（Gain）这两个最重要的特征参数上[10]。而这种优势部分来源于键合丝技术的成熟度，它在平面上(xy面)的打线误差在微米级以下，而在高度（z轴）的误差范围内对天线的应用不敏感。

　　

　　图16. Bonding wire 天线

　　总结

　　目前键合丝的研究主要还是在通过doping、 alloying，表面和内核结构调整、表面有机涂层和金属电镀等方面来提高打线的顺畅度bondability和键合焊点的可靠性上reliability。在低频的应用领域，这些都应该是继续努力的方向。在高端通讯领域，应该把线材的弧线控制、表面阻抗、表面粗糙度，低介电质材料方面进一步密切和封装设计公司的合作，提供更具有价格优势和高性能的产品。