芯片键合：如何实现芯片间的“无缝连接”？

芯片键合：实现芯片间无缝连接的核心工艺
在半导体制造的后段工序中，封装工艺如同为芯片穿上 “防护铠甲”，而芯片键合则是这层铠甲中连接芯片与外部世界的 “关键枢纽”。封装流程包含背面研磨、划片、芯片键合、引线键合及成型等多个步骤，这些步骤并非一成不变，而是会根据封装技术的革新进行调整、融合甚至合并。在上一期内容中，我们详细介绍了将晶圆切割为单个芯片的划片工艺，今天则聚焦于划片之后的关键环节 —— 芯片键合（die bonding）。这项工艺的核心作用，是将从晶圆上切割下来的独立芯片，精准且稳固地粘贴到封装基板（可能是引线框架或印刷电路板）上，为后续的电气连接与功能实现奠定基础。
一、键合技术的本质与分类：连接芯片与外界的 “桥梁”
在半导体制造的精密世界里，“键合”（Bonding）是实现芯片与基板稳定连接的核心技术。简单来说，它是通过特定工艺将晶圆芯片固定在基板上，从而建立芯片与外界的物理与电气连接。根据技术发展阶段与应用场景的不同，键合工艺可分为传统与先进两大类型，各自有着独特的技术路径与应用优势。
1. 传统键合技术：成熟稳定的连接方案
传统键合技术主要包括芯片键合（Die Bonding，又称芯片贴装 Die Attach）和引线键合（Wire Bonding）。芯片键合专注于将芯片物理固定在基板上，而引线键合则通过纤细的金属丝（如金丝、铜线或镍丝）实现芯片焊盘与基板引脚之间的电气连接。这两种技术相互配合，形成了一套成熟、稳定且成本可控的连接方案，在消费电子、汽车电子等领域得到广泛应用。其优势在于工艺成熟度高、兼容性强，能够适应多种芯片尺寸与基板类型，但在高密度集成场景下存在一定局限性。
2. 先进键合技术：倒装芯片引领高密度连接
先进键合技术的代表是倒装芯片键合（Flip Chip Bonding），这项技术由 IBM 在 20 世纪 60 年代后期率先开发，彻底改变了传统键合的连接逻辑。它创新性地将芯片键合与引线键合的功能合二为一：首先在芯片的焊盘上制作微小的金属凸块（Bump，如焊球 Solder Ball），然后将芯片 “倒扣”（顶面朝下）放置在基板上，使芯片上的凸块与基板上的对应焊盘直接接触。通过后续的加热等工艺，凸块熔化并与基板焊盘形成牢固的焊点，同时实现物理固定与电气连接。这种技术的最大优势在于连接密度极高，能够满足高端芯片对小型化、高速度的需求，在智能手机芯片、高性能处理器等领域发挥着不可替代的作用。
3. 键合技术的核心作用：超越连接的多重使命
如果说发动机是汽车的 “心脏”，那么芯片键合技术就是半导体封装的 “动力源泉”。它通过将半导体芯片附着到引线框架或印刷电路板上，构建起芯片与外界的电气通路，确保电信号能够顺畅传输。但键合的使命远不止于此：它必须保证芯片能够承受封装后可能面临的各种物理压力（如振动、冲击），防止芯片脱落或损坏；同时，要高效导出芯片工作时产生的热量，避免因过热导致性能衰减或失效；在某些特定场景下，还需要保持恒定的导电性（如功率器件）或实现高水平的绝缘性（如高频电路）。随着芯片尺寸不断缩小、集成度持续提升，键合技术的精度与可靠性要求也日益严苛，成为影响半导体器件性能的关键因素。
二、芯片键合的核心步骤：从点胶到固定的精密流程
芯片键合是一个高度精密的系统工程，每一个步骤都需要严格控制参数，以确保连接的稳定性与可靠性。无论是传统的芯片键合还是先进的倒装芯片键合，都遵循着一套严谨的操作流程，只是在细节上有所差异。
1. 传统芯片键合的基本流程
传统芯片键合的步骤可概括为 “点胶 —
放置 — 固化” 三大环节。首先，需要在封装基板的预定位置精确点上适量的粘合剂（如环氧树脂），粘合剂的用量与分布直接影响后续连接的稳定性。然后，通过高精度设备将芯片顶面朝上放置在涂有粘合剂的基板位置，确保芯片与基板的对准精度控制在微米级别。完成放置后，将组装好的单元送入温度回流（Temperature Reflow）通道，通道内的温度会按照预设曲线（TemperatureProfile）随时间精确调节，使粘合剂在 150°C 至250°C 的温度范围内逐渐熔化并发生固化反应。待温度冷却后，粘合剂硬化，将芯片与基板牢固地粘合在一起，形成稳定的物理连接。
2. 倒装芯片键合的独特流程
倒装芯片键合的流程在传统工艺基础上进行了革新，核心差异在于 “凸块制作” 与 “芯片倒扣”。首先，在芯片制造的后段工序中，通过蒸发、电镀等工艺在芯片焊盘上制作金属凸块（焊球），凸块的材料、尺寸与间距根据芯片需求精确设计。然后，将芯片顶面朝下（焊盘朝向基板）放置在基板上，使芯片上的凸块与基板上的对应焊盘精准对齐。接下来同样进入温度回流通道，通过加热使凸块（焊球）熔化，与基板焊盘形成合金焊点。冷却后，焊点凝固，不仅实现了芯片与基板的物理固定，更直接建立了电气连接，省去了传统引线键合的金属丝连接环节，大幅提高了连接密度与信号传输速度。
三、芯片拾取与放置：键合前的精准操作
在芯片键合之前，还有一项关键的准备工作 —— 将切割好的芯片从切割胶带上转移到基板上，这一过程被称为 “拾取与放置”（Pick &Place），是确保键合精度的第一道关卡。
1. 拾取：从切割胶带上分离合格芯片
划片工艺完成后，晶圆被分割成数百个独立芯片，这些芯片依然轻轻附着在切割胶带上，等待后续处理。“拾取” 就是逐个将合格芯片从切割胶带上分离下来的过程。设备会根据晶圆测试结果（合格 / 不合格）生成的映射表，精准识别合格芯片的位置。然后使用特制的柱塞或真空吸嘴，对合格芯片施加适当的力，使其与切割胶带分离。对于不合格的芯片，则会被留在切割胶带上，在后续的框架回收过程中统一丢弃，避免不合格品流入后续工序。
2. 放置：将芯片精准定位到基板
“放置” 是紧随拾取之后的步骤，指的是将拾取到的合格芯片精确放置在封装基板的预定位置上。这项操作在专用的固晶机上完成，设备通过高精度的机械臂与视觉定位系统，确保芯片的放置精度达到 ±10 微米甚至更高。放置时不仅要保证芯片与基板的对准，还要控制放置时的压力与速度，避免对芯片造成物理损伤。在完成所有合格芯片的放置后，整个基板就可以进入后续的固化或回流工序，完成最终的键合。
四、芯片顶出工艺：解决拾取难题的创新方案
划片后的芯片平贴在切割胶带上，彼此间距极小，直接拾取不仅难度大，还容易因受力不均对芯片造成损伤（如崩角、裂纹）。为解决这一问题，“顶出（Ejection）工艺” 应运而生，通过巧妙的力学设计，使芯片与胶带分离变得更加轻松。顶出工艺的核心原理是通过顶出装置从芯片底部施加轻微的物理力，使目标芯片相对于周围芯片形成微小的高度差（通常几微米至几十微米）。这种高度差打破了芯片与切割胶带之间的均匀粘附力，使真空吸拾器能够轻松从上方将芯片拉起。在顶出过程中，设备会同时通过真空吸拾器将切割胶带底部轻微拉起，使晶圆保持平整，避免因局部受力导致其他芯片位移或损坏。顶出装置的力大小、作用时间与位置都经过精确计算，确保既能顺利分离芯片，又不会对芯片结构造成损伤，是高精度芯片拾取的关键辅助技术。
五、键合粘合材料：影响连接质量的核心因素
芯片与基板之间的粘合材料，是决定键合强度、导热性、导电性乃至可靠性的核心因素。目前主流的粘合材料主要有两类：环氧树脂（Epoxy）和晶片黏结薄膜（Die Attach Film，DAF），各自有着独特的性能特点与适用场景。
1. 环氧树脂：传统且灵活的粘合选择
环氧树脂是芯片键合中常用的粘合材料，尤其是含银糊状或液体型环氧树脂，因其易于使用、成本适中且导电性良好，在中大功率器件封装中应用广泛。使用时，通过点胶设备将极少量环氧树脂精确涂覆在基板上，然后放置芯片，经加热固化（150°C 至 250°C）后形成牢固连接。然而，环氧树脂的使用也存在一定挑战：如果环氧树脂的厚度不均匀，在固化过程中会因芯片与基板的热膨胀系数差异产生应力，导致翘曲（Warpage），进而引发芯片弯曲或焊点失效。因此，尽管环氧树脂使用灵活，但对涂覆精度与厚度控制的要求极高，否则容易影响键合质量。
2. 晶片黏结薄膜（DAF）：先进的高精度粘合方案
近年来，晶片黏结薄膜（DAF）逐渐成为高端封装领域的首选粘合材料。DAF 是一种预先附着在芯片底部的薄膜状粘合剂，与液态环氧树脂相比，它的最大优势在于厚度均匀性极佳 —— 能够将厚度控制在极小且恒定的范围内（通常几微米至几十微米），有效避免了因厚度不均导致的翘曲问题。DAF 的应用场景十分广泛，不仅可用于芯片与基板之间的键合，还能实现芯片与芯片之间的堆叠键合，为多晶片封装（MCP）提供了理想的粘合方案。在工艺上，DAF 在芯片切割前就已附着在晶圆背面，切割后随芯片一起与切割胶带接触。键合时，只需将芯片（连同 DAF）从切割胶带上取下并直接放置在基板上，省去了传统的点胶工序，简化了工艺流程，同时提高了生产效率与一致性。不过，DAF 也存在一些局限性：价格相对昂贵，且对处理设备的精度要求极高 —— 如果操作不当，可能导致空气穿透薄膜引发变形，影响键合质量。但综合来看，DAF 在厚度均匀性、工艺简化与可靠性方面的优势，使其在高端封装领域的使用率不断攀升。
六、键合技术的多样化发展：适应不同场景的需求
芯片键合技术的发展始终与半导体产业的需求紧密相连。随着芯片集成度的提高、尺寸的缩小以及应用场景的多样化，键合技术也在不断创新，衍生出多种适应不同需求的工艺方案。
1. 基板类型对键合方向的影响
用于放置芯片的基板类型（引线框架或印刷电路板）不同，芯片键合的方向与工艺参数也存在显著差异。引线框架作为传统的基板形式，适合大批量生产，键合时芯片通常采用顶面朝上的方式；而印刷电路板（PCB）则更适用于小批量、多品种的封装场景，键合方向根据电路设计灵活调整。随着封装技术的发展，新型基板（如陶瓷基板、有机基板）的出现，进一步推动了键合工艺的多样化。
2. 温度曲线与键合方法的创新
粘合剂的烘干或焊球的熔化都需要精确的温度控制，因此温度曲线（Temperature  Profile）的设计至关重要。不同的粘合材料（环氧树脂、DAF、焊球）与基板类型，对应着不同的温度曲线 —— 包括升温速率、峰值温度、保温时间与降温速率等参数，都需要根据材料特性精确设定。除了传统的加热粘接，超声波粘接也成为重要的键合方法。这种方法通过超声波振动产生的能量使金属表面塑性变形，形成牢固的冶金结合，无需高温加热，特别适用于对温度敏感的芯片或基板。

3. 封装工艺的发展趋势
随着集成技术的不断提高，半导体封装正朝着超薄、微型化、高密度的方向发展。3D 堆叠封装、系统级封装（SiP）等先进技术的兴起，对芯片键合提出了更高的要求 —— 不仅需要更高的连接密度，还需要更好的导热性、导电性与可靠性。未来，键合技术将与材料科学、精密制造技术深度融合，不断突破性能极限，为半导体产业的持续创新提供核心支撑。
下一期，我们将继续深入半导体封装领域，介绍另一种关键技术 —— 引线键合，探讨它如何与芯片键合配合，构建起芯片与外界的完整电气连接。