芯片封装中的四种键合方式

芯片封装在半导体制造业中占据着举足轻重的地位，其核心使命在于为芯片提供坚实的物理防护、高效的电气连接以及有效的散热解决方案。键合技术（Bonding）作为这一环节的核心工艺，扮演着至关重要的角色。

这实际上涉及将未经封装的集成电路与外部物质实现结合的技术流程。

在目前的行业背景下，我们见证了四种关键的键合技术，它们各具特色。首先是历史悠久、稳定性强的引线键合技术；其次是功能强大的倒装芯片键合技术；再者是高度自动化的载带自动键合技术，简称TAB；最后是代表着未来技术走向的混合键合技术。

引线键合技术，亦称Wire Bonding，是一种精密的电子组装工艺。该技术通过将细小的金属引线牢固地连接到半导体芯片和电路板上的特定焊点，以实现电子元件间的电气连接。

在众多键合技术中，引线键合堪称应用最为广泛的连接方法。这一技术主要通过热力、压力或超声振动来实施，借助细长的金属引线（诸如金、铝、铜等材料制成）作为连接介质，精准地将芯片上的触点与基板（一般采用引线框架或印刷电路板）的触点实现无缝对接。

在引线键合技术中，芯片边缘应均匀布置凸点电极。此外，引线还需得到塑封材料的妥善保护，这导致芯片尺寸有所增加，且影响了其散热效率。随着电子器件向微型化和复杂化趋势发展，传统引线键合封装技术已不能满足行业快速发展的需求。

1.1 工艺流程

 预备、连接及质量监控。在预备环节，首先需要对设备进行温度预调，确保其达到理想的作业温度，并对所有工艺指标进行精细校准。此外，还需将适用于键合作业的金属线材放入设备中，常见的线材材料包括黄金、铜和铝等。

在1.2节中，我们深入探讨了键盘操作的规范原则。

在键合领域，我们常见的主要技术流派有两种：球形键合和楔形键合，它们在日常交流中通常被简称为球接和楔接。

1.3 键合机理

在引线键合领域，我们主要遇到三种不同的结合方法：热压缩键合（简称TCB，亦即热压缩结合）、超声结合以及热超声结合。热压缩键合是通过加热和施加压力来促进金属线与焊盘的紧密连接，这种方法操作简便，但需要较高的工作温度；超声结合利用超声波振动产生的热量和机械作用来达到结合，这一过程可以在室温下完成，并且对材料的兼容性较强；热超声结合则是将温度、压力与超声波能量相结合，显示出极高的工艺适用性和结合强度，因此成为了目前最常用的键合技术。

在芯片与基板之间，热压键合（TCB）技术通过精确的温控和压力控制，实现了牢固的机械连接。这一工艺的温度控制范围在150至300摄氏度之间，施加的压力则在10到200兆帕的区间。此方法保证了连接的均匀性，减少了间隙的不稳定性和角度偏差，有效抑制了基板变形的可能性。这是因为基板在真空条件下被稳固固定，并涂有助焊剂，整个工艺的温度并未升高过多。此外，该技术实现了I/O间距的优化，缩小到了大约10微米。英特尔作为先驱，率先采用这项基于基板的热压键合技术替代了传统的焊接方式，此项技术由英特尔携手ASMPT公司联合研发，并于2014年开始大规模生产。

为确保键合接头可靠性，TCB技术采纳了一种新型焊剂保护膜，以高效去除铜氧化层。但面对小于10微米宽的互连缝隙，焊剂清除作业变得异常棘手，残留的胶状物常常无法彻底清除。这种残留物可能导致细微的形变，进而可能引发电化学腐蚀或导线短路的问题。面对这一挑战，库力法索公司在2023年推出了一项革命性的无焊剂键合解决方案——Fluxless Bonding。此技术通过在真空气氛或惰性气体环境，比如氮气或氩气中执行键合过程，从而杜绝了氧化反应的发生。

 02 创新式芯片对接工艺（Reversed Chip Connection Technique）

自20世纪60年代起，倒装键合技术崭露头角，这一创新成果最早由IBM公司突破性地实现。这项技术，亦被称作倒装芯片或覆晶技术，主要是一种独特的封装手段，其中芯片的底部朝向下方，并通过凸点与基板实现直接接触。与常规的引线键合技术相较，倒装芯片技术采用了一种区域阵列的连接方式，极大提高了连接的密集度，同时大幅缩短了信号传输的距离。

2.1 工艺流程

首先是凸点的形成，接着是芯片的对接，最后进行底部的填充作业。

在与传统的引线键合银丝方法进行深入对比后，倒装芯片键合技术凸显出了以下几点显著长处：

① 采纳了再布线设计理念（RDL），成功优化了面阵的排列结构，此举大幅增加了单位面积内的输入输出端口密集度。

② 由于网络路径的极大精简，信号的完整性及频率特性实现了显著提升。

③ 通过去除芯片的封装材料，我们得以让散热片等冷却装置直接接触芯片背面，这极大地增强了芯片的散热效率，大幅提高了其散热效果。

通常，基础型倒装芯片制造广泛采用回流焊接法，此法中温度的峰值通常被设定在240到260摄氏度区间。一台回流焊接设备能够容纳并处理大量工件，从而显著提升了整个生产流程的效率。

尽管芯片封装整体在回流炉中进行加热，但芯片、基板和焊球在热膨胀的速度上存在不一致，这导致了翘曲问题的出现，影响了芯片与基板之间的紧密连接。此外，熔化的焊料还可能超出其原本的位置，造成邻近焊盘之间产生意外的电气连接，从而引发短路，这对芯片的成品率产生了不利影响。

芯片焊接过程中的回流熔接步骤

在回流焊接过程中，精确的温度控制至关重要。

现今，03型号的带状自动联接技术，亦被简称为Tape Automated Bonding，亦即所谓的带状自动化联接技术，代表了一种先进的联接解决方案。

在先进的封装领域，载带自动对位技术（TAB）扮演着关键角色，它通过精确地将集成电路固定在柔性基带上，实现了芯片的精确封装。这种技术不仅为芯片提供了坚实的承载平台，而且其内置的引线负责将芯片与外部电路有效连接。此外，这一技术还被称为载带自动焊接或卷带式自动对接技术。

3.1 工艺流程

首先是制造传输带，其次是进行晶圆与芯片的配对，最后是实施对封装的加固处理。

在我们着手于打造传输带的关键步骤时，我们首先确保铜箔和聚酰亚胺胶带完美粘合。接着，运用光刻和蚀刻工艺精心打造出精确的导电图形，并且细致地加工定位孔和引线开口。进入内引线连接阶段，我们对芯片上的焊点进行精准定位，并利用高温压力或热超声技术，实现所有内引线与芯片焊盘的牢固焊接。随后是外引线连接过程，我们将TAB组件与基板或PCB精确匹配，并普遍采用热压法进行高效的批量焊接。最后，对芯片区域执行点胶或模具封装，待保护层固化后，有效增强了产品的稳定性。

在TAB技术分支中，若选择摒弃外部的引线焊接，转而仅依赖芯片与基带之间的内部连接来完成封装过程，这样的技术实现形式被称为TCP（带状载片封装）或COF（芯片直接上膜）技术。该技术领域广泛运用于显示屏驱动芯片的封装过程之中。

在数据传输过程中，我们采用了一种名为TCP/COF的封装技术。

虽然引线键合与TAB键合在外观上似乎大同小异，但它们在细节上存在显著差异。引线键合所使用的支撑结构是引线框架或PCB板，而TAB键合则采用了一种柔软的输送带。在连接方式上，引线键合通过金属线的串联来完成，而TAB键合则倾向于使用铜箔作为连接元件。对于芯片的处理，引线键合直接在芯片的焊盘上焊接金属线，而TAB键合则是先在芯片上制作焊点，然后再与铜箔进行连接。在连接过程上，引线键合需要逐根金属丝进行焊接，而TAB键合则是通过预先准备好的输送带实现整体的快速连接。

采用TAB技术的关键亮点是其与密集型、小间距封装需求的完美适配，确保了批量生产的高效自动化。不仅如此，TAB技术展现出卓越的电气性能，如导体路径短、电感小，同时具备优异的散热能力，因此，它成为了LCD驱动器等对高密度引线连接有特殊需求的理想解决方案。

 TAB技术的关键短板主要源于其初始投入成本极高——包括专用的光刻模板和专属设备的采购——以及严格的制造工艺要求，对准精度要求极为严苛。再者，材料热膨胀系数的不一致性增加了系统可靠性的风险，同时维护工作的繁琐性也不容小觑。由于其高度定制化特点，TAB技术在适应多变需求上略显逊色，因而主要在特定的大规模生产产品领域得到应用。

04 融汇交错连接术（Syncretic Merging Technique）

在硅芯片与封装基板之间，采用含焊料的凸块进行倒装焊和热压焊，然而，由于Bump间距的物理限制，这种连接技术难以满足3D内存堆叠和异构集成对密集互连的强烈需求。鉴于此，混合键合技术便应运而生，成为了解决这一难题的有效途径。

在三维集成封装领域，混合键合技术以其独特之处脱颖而出，它巧妙融合了金属与介质的结合手段，具体表现为铜与铜的金属结合以及氧化物与氧化物的介质结合。这种技术使得在晶圆或芯片层面直接进行物理和电气连接成为可能。通俗地讲，它能够实现晶圆间的无痕对接，或者将晶粒直接嵌入晶圆。与传统的铜柱或锡球Bump结构不同，混合键合技术能够实现更小间距的互连（小于1微米），并拥有极高的连接密度。其键合界面平整度的优势，使得实现更薄的晶圆堆叠成为可能，极大地推动了3D集成技术的发展。目前，HBM3普遍采用热压键合技术，而韩国的领先企业预计将在HBM4阶段引入混合键合技术。

在进行Cu与SiO2的常规复合材料制备过程中，有三大关键环节必须得到重视。

（1）在进行键合操作之前，晶圆需经历严格的化学机械抛光和表面平坦化处理，同时还要进行表面活化与彻底清洗，旨在确保其表面质量达到极致，实现平滑、干净，并具备出色的亲水性能。

（2）在实施晶圆结合作业之前，需先对晶圆进行初步的对位校准。接着，在常温环境里，将两片晶圆稳固地放置在SiO2介质表面上，通过悬挂在晶圆间的桥接结构，实现SiO2与SiO2的熔融连接。在这一阶段，金属Cu的触点间可能存在实际的接触或是形成间隙（称作“凹陷”），金属之间的完整结合尚未完成。

（3）完成键合工序后，需进行高温退火作业：这一环节能够有效催化晶圆上的SiO2绝缘层与铜金属间的化学反应，同时推动它们相互渗透，确保实现稳固且持久的连接。

与微凸块技术相比，在高带宽内存中采用混合键合互连所需工艺步骤更少，有助于降低成本并提升效率。该工艺流程大致包含11个步骤，从而实现了更加精简和高效的生产流程。⑥赋予系统架构师更大灵活性：混合键合技术为系统架构师在芯片与系统设计上提供了更广阔的创作空间，促进了异构组件的集成，并支持在单个芯片上构建完整的系统。这种灵活性使得系统可根据特定需求进行定制和优化。

此技术的挑战在于，它对表面的清洁度和光滑度要求极其严格，必须采用高精度的化学机械抛光技术，并且对表面处理的质量有着极高的标准。此外，对制造环境的洁净度和温度湿度控制也有着极为严格的规定。在键合环节，对精度的极致追求使得设备投资成本大幅增加。工艺参数的允许范围极为有限，这无疑增加了成品率的控制难度。对于晶圆翘曲的控制同样十分严格，导致返工的难度显著增加。更重要的是，作为一项新兴技术，其产业链尚未完善，工艺标准化的水平有待提高，而可靠性的验证数据也需要更多时间来积累。

05 总结

历经岁月洗礼的引线键合技术，凭借其普遍的应用和悠久的传承，采取金属丝逐点连接的方式，将芯片与底板连接起来。这种技术已趋于成熟，具有极高的可靠性，但相比之下，其工作效率略显不足。

通过采用独特的凸点阵列技术，倒装芯片技术实现了芯片与基板的完美贴合，这不仅极大提高了输入输出密度，还极大地加强了电学性能，因此，它已经成为高性能封装技术领域中的首选方案。

通过运用自动带状键合技术，并利用预先设定的线路连接方式，我们实现了大规模自动化生产的高效推进。这项技术尤其适合在LCD驱动器等行业领域得到广泛应用。

在高科技领域，一种创新的结合方法——混合键合技术，正崭露头角。它通过金属与介质的直接耦合，成功实现了极小的间距互联，摆脱了传统凸点设计的局限。这种技术在3D集成电路线的封装应用中，展示出了巨大的潜力。

根据半导体产业联盟(SIA)2023年公布的数据，全球先进封装市场规模已达443亿美元，年增长率达8.2%，其中混合键合技术增长速度最为显著，预计2025年市场规模将突破120亿美元。随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，半导体行业正在经历从二维到三维集成的重大转型。尤其是混合键合技术在HBM存储器和AI芯片领域的应用正呈现爆发式增长，台积电基于SoIC技术的3D Fabric平台已实现超过90%的良率。值得注意的是，采用混合键合技术的芯片互联密度可达传统引线键合的1000倍以上，信号传输距离缩短80%，同时功耗降低35%。这些突破性进展正在推动chiplet生态系统加速形成，根据Yole Development预测，到2027年全球chiplet市场规模将达到1200亿美元。在这一技术变革浪潮中，中国封装企业正通过差异化创新实现技术突破，长电科技开发的XDFOI技术已实现3微米以下线宽，通富微电在2.5D/3D封装领域取得显著进展，这些技术创新正在重塑全球半导体产业格局。