芯片封装中的四种键合方式

摘要：目前主要有四种键合技术：传统而可靠的引线键合（Wire Bonding）、性能优异的倒装芯片键合（Flip Chip Bonding）、自动化程度高的载带自动键合（TAB, Tape Automated Bonding），以及代表未来趋势的混合键合（Hybri

芯片封装是半导体制造的关键环节，承担着为芯片提供物理保护、电气互连和散热的功能，键合技术（Bonding）
就是将裸芯片与外部材料连接起来的方法。

目前主要有四种键合技术：传统而可靠的引线键合（Wire Bonding）、性能优异的倒装芯片键合（Flip Chip Bonding）、自动化程度高的载带自动键合（TAB, Tape Automated Bonding），以及代表未来趋势的混合键合（Hybrid Bonding）技术。

01 引线键合（Wire Bonding）

引线键合是应用最广泛的键合技术，它利用热、压力或超声波，通过细金属引线（金、铝、铜）将芯片的焊盘与基板（一般是引线框架或PCB）的焊盘连接起来。

引线键合工艺要求键合焊区的凸点电极沿芯片四周边缘分布，引线的存在也需要塑封体提供保护，从而增加了体积，阻碍了芯片工作时热量的散发。随着器件小型化和复杂化，传统封装使用的引线键合工艺逐渐难以满足行业需求。

1.1 工艺流程

引线键合主要包括准备、键合和检测三个阶段。准备工作就是将设备预热到合适温度，设置好各项工艺参数，同时装入键合用的金属丝（通常是金丝、铜丝或铝丝）。

1.2 键合（焊接）方式

引线键合主要有球形键合（Ball Bonding）和楔形键合（Wedge Bonding）两种方式，简称为球焊和楔焊。

1.3 键合机理

引线键合的键合机理主要有热压键合 (TCB, Thermo-Compression Bonding)、超声波键合(Ultrasonic Bonding)和热超声波键合(Thermo-sonic Bonding)三种方式。热压键合通过加热和压力使金属线与焊盘产生连接，工艺简单但温度较高；超声波键合利用超声振动产生的摩擦热和机械作用实现键合，可在室温下进行且对材料选择灵活；热超声波键合则同时使用温度、压力和超声波能量，具有更好的工艺适应性和键合强度，是目前应用最广泛的键合方式。

热压键合（TCB）仅从芯片侧对Bump升温加压，使其与基板实现物理连接。TCB典型的工艺温度范围在150ºC-300ºC之间，压力水平在10-200MPa之间。这种键合方式确保均匀粘合，没有间隙变化或倾斜，减少了基板翘曲问题（因为事先将喷涂了助焊剂的基板牢牢固定在真空板上且整体温度不高），可以允许I/O间距缩小到更小的尺寸（10µm 左右）。英特尔公司最早选择了基于基板(Substrate)的热压键合工艺以替代传统的回流焊, 由英特尔和ASMPT公司联合开发，并于2014年导入量产。

TCB 工艺还需要使用可去除铜氧化物的涂层助焊剂来降低键合互连故障。但当互连间距缩小到 10µm 以下时，助焊剂会变得更难清除，并会留下粘性残留物，这会导致互连发生微小变形，从而造成腐蚀和短路。所以，库力法索于2023年推出无助焊剂键合技术（Fluxless Bonding），在真空或惰性气体环境（如氮气或氩气）中运行，以防止键合过程中发生氧化。

02 倒装键合（Flip Chip Bonding）

倒装键合起源于20世纪60年代，由IBM率先研发出来，倒装芯片（Flip Chip）技术是一种将芯片正面朝下、通过凸点（bump）直接与基板连接的封装方式。不同于引线键合的周边布线，倒装芯片采用区域阵列式分布的连接方式，大大提高了互连密度，缩短了信号传输路径。倒装芯片技术也被称为倒装键合或覆晶接合。

2.1 工艺流程
倒装芯片的制作过程可以简单分为凸点制备、芯片组装和底部填充三个步骤。

与传统的引线键合技术相比，倒装芯片键合的优势有：

① 通过再布线（RDL）实现面阵分布，单位面积内的I/O密度更高；

② 互联通路变短，信号完整性、频率特性更好；

③ 倒装芯片没有塑封体，芯片背面可用散热片等进行有效的冷却，散热能力提高。

基础的倒装芯片常采用回流焊作为键合方案（回流温度的峰值一般控制在240ºC到260ºC），一个回流焊炉同时可以容纳很多加工产品，所以整体的吞吐量还是非常高的。

但是由于整个芯片封装都放入回流炉中，芯片、基板、焊球以不同的速率膨胀，从而发生翘曲导致芯片不能很好的被粘合，而且熔融焊料会扩散到其指定区域之外，相邻焊盘之间出现不必要的电连接造成短路，芯片良率降低。

（常见的回流焊芯片键合流程）

（常见的回流焊温度控制）

03 载带自动键合（TAB,Tape Automated Bonding）

载带自动键合（TAB）是一种将芯片组装到柔性载带上的芯片封装键合技术。载带既作为芯片的支撑体，又作为芯片与外围电路连接的引线。TAB技术也称为载带自动焊、卷带式自动接合。

3.1 工艺流程

TAB技术的工艺流程主要包括载带制作、芯片键合和封装保护三个阶段。

首先是载带的制作，通过将铜箔贴合在聚酰亚胺胶带上，经过光刻和蚀刻形成精细的导电图形，并制作定位孔和引线窗口；然后进入内引线键合（ILB，Inner Lead Bonding）阶段，将预先形成焊点的芯片精确定位后，采用热压或热超声方式同时将所有内引线与芯片焊盘连接；接着进行外引线键合（OLB，Outer Lead Bonding），将TAB件与基板或PCB对准，通常采用热压方式实现批量键合；最后在芯片区域进行点胶或模塑保护，固化形成保护层以提升可靠性。

在TAB技术中，如果不做外引线键合，只进行芯片与载带之间的内引线连接，这种应用被称为TCP（Tape Carrier Package）或COF（Chip On Film）技术，常用于显示面板驱动芯片的封装。

TCP/COF封装

引线键合与TAB的结构类似，区别在于引线键合中芯片的载体是引线框架或者PCB基板，TAB用的是柔性载带；引线键合使用金属线连接，TAB使用铜箔；在芯片端引线键合是将金属线直接焊接到芯片焊盘上，TAB是先做焊点再连接铜箔；引线键合是使用单根金属丝逐一连接，而TAB使用预制载带一次性连接。

TAB技术优点在于适合高密度、细间距的封装要求，可实现批量自动化生产，具有优异的电气性能（导体短、电感小）和散热性能，特别适合LCD驱动器等高密度引线连接场合。

TAB技术的主要缺点是前期投资大（需要定制化光刻掩模和专用设备）、工艺要求高（对准精度要求严格）、受材料热膨胀系数失配影响较大导致可靠性风险、且维修困难，同时由于定制化程度高导致灵活性较差，因此主要应用在大批量生产的特定产品上。

04 混合键合（Hybrid Bonding）

倒装键合和热压键合都使用某种带焊料的凸块作为硅与封装基板之间的互连，但Bump间距受到物理上的限制，无法满足3D内存堆栈和异构集成需要极高的互连密度，因此混合键技术被开发出来。

混合键合是一种新型的三维集成封装技术，通过同时实现金属键合（Cu-Cu）和介质键合（氧化物-氧化物），在晶圆或芯片级别直接进行物理和电气连接。通俗来说就是可以将两片晶圆（wafer）直接连接起来，也可以把晶粒（Die）直接封装到晶圆上。这种技术无需传统的铜柱或锡球等Bump结构，可实现实现超细互连间距（

典型的Cu/SiO2 混合键合主要包括三个关键工艺步骤。

（1）键合前预处理：晶圆需经过化学机械抛光/ 平坦化（CMP）和表面活化及清洗处理，实现平整洁净且亲水性表面；

（2）两片晶圆预对准键合：两片晶圆键合前进行预对准，并在室温下紧密贴合后介质SiO2 上的悬挂键在晶圆间实现桥连，形成SiO2 -SiO2 间的熔融键合，此时，金属Cu 触点间存在物理接触或凹陷缝隙（dishing），未实现完全的金属间键合；

（3）键合后热退火处理：通过后续热退火处理促进了晶圆间介质SiO2 反应和金属Cu 的互扩散从而形成永久键合。

◎ 优点: ①更高的 I/O 密度：与微凸块技术相比，混合键合可实现单位面积内高 10,000 倍的互连密度，显著提高芯片之间的连接能力，以更低的功耗实现更快的信号传输。②同时具有良好的散热性能和机械强度，特别适合高性能计算和存储器等应用场景。③更低的电感、电容和电阻：混合键合互连尺寸减小，导致电感、电容和电阻降低。这可实现更快的信号传输、更低的功耗和更高的整体性能。④可扩展性：由于混合键合可以扩展到亚微米间距，因此可以实现更精细、更精确的互连。研究表明间距为 0.4 微米，未来间距甚至可能更小。⑤简化制造工艺：与微凸块方法相比，在高带宽内存中切换到混合键合互连需要更少的工艺步骤，从而节省成本并提高效率。该工艺涉及约 11 个步骤，从而实现更精简和高效的生产。⑥系统架构师的灵活性：混合键合为系统架构师在设计芯片和系统时提供了更大的创作自由，促进了异构组件的集成，并实现了在芯片上构建系统。这种灵活性允许根据特定要求定制和优化系统。

◎ 缺点:该技术对表面清洁度和平整度要求极高，需要精密的CMP工艺和严格的表面处理；对制程环境的洁净度和温湿度控制要求严格；键合过程中的对准精度要求高，设备投资成本大；工艺窗口较窄，良率控制难度大；对wafer翘曲要求严格，并且返工难度大；此外，由于是新兴技术，产业链配套还不够完善，工艺标准化程度需要进一步提高，可靠性数据积累还需时间验证。

05 总结

引线键合是最传统和应用最广泛的技术，通过金属丝逐点连接实现芯片与基板的互连，工艺成熟可靠但效率较低。

倒装芯片技术通过凸点阵列实现芯片与基板的连接，具有更高的I/O密度和更好的电气性能，已成为高性能封装的主流。

载带自动键合技术采用载带预制导线，可实现批量自动化生产，主要应用于LCD驱动器等特定领域。

混合键合则是最新发展的技术，通过金属和介质的直接键合实现超细间距互连，无需传统的凸点结构，在3D IC封装领域具有重要应用前景。