一、鍵合技術的發展歷程

鍵合工藝發展經歷了從引線鍵合到混合鍵合的過程。從上世紀70年代起，其發展歷程涵蓋了引線鍵合、倒裝、熱壓貼合、扇出型封裝和混合鍵合，連接方式從最初的引線鍵合到錫球再到銅 - 銅鍵合，單位面積連接密度提高了超過2000倍。

（一）引線鍵合（Wire Bonding）

1. 發展早期

• 引線鍵合是最早提出的芯片鍵合方式，被廣泛應用于SIP、DIP、QFP等早期封裝技術。它是把內外部芯片連接起來的技術，金屬引線在芯片焊盤（一次鍵合）和基板焊盤（二次鍵合）間充當橋梁，使電信號能在芯片和基板間傳遞。工藝實現有熱壓法、超聲波法、熱超聲波法等。

• 熱壓法（Thermo - compression Method）：熱壓法是最早的鍵合技術，在工藝中，需要將芯片焊盤溫度提前加熱到200℃左右，再提高毛細管劈刀尖端溫度變成球狀，通過劈刀向焊盤施加壓力，使金屬引線與焊盤連接，但目前此方式已很少使用。

• 超聲波法（Ultrasonic Method）：該方法在楔形劈刀上施加超聲波使其水平振動，讓金屬引線在焊盤迅速摩擦發生形變而連接。其優點是工藝和材料成本低，可以常溫操作。不過，由于它主要利用金屬絲形變的物理變化，鍵合拉伸強度較弱，容易出現脫落現象。

• 熱超聲波法（Thermosonic）：這種方式融合了熱壓和超聲焊的優點，以超聲作用去除焊盤表面一般氧化層，再加熱焊接界面使原子互相擴散形成致密層。在過程中，基板溫度控制在120 - 240攝氏度之間，有效抑制金屬間化合物的生產，提高鍵合可靠性。例如最常使用的熱超聲波金絲球鍵合法，一次鍵合是金絲穿過毛細管劈刀小孔，加熱末端形成金絲球后粘合到加熱的焊盤上；二次鍵合是向劈刀施加熱、壓力和超聲波振動，將二次形成的金絲球碾壓在PCB焊盤上后完成鍵合。

• 引線鍵合可按材料分類，有金、銀、銅和鋁等材質。金線早期滲透率高，導電性好且化學性穩定、耐腐蝕，但價格較高，且容易塌絲、拖尾和老化。隨著經濟需求提升，在保持或提高鍵合性能的同時降低成本成為目標。銅線成本低、機械強度高、焊接后線弧穩定性好，用于大電流設備，不過容易氧化硫化，需要氣體保護且鍵合點易開裂；鋁線經濟性好，用于高溫封裝（如Hermetic）或超聲波法等無法使用金絲的地方，但鍵合設備較貴，目前主要用于功率器件、微波器件和光電器件封裝。

2. 引線鍵合的持續發展

• 隨著技術發展，引線鍵合技術雖然面臨成本和適應新封裝要求等挑戰，但在傳統封裝領域仍然占據重要地位。改進方向主要集中在提高鍵合速度、降低缺陷率以及與多種封裝工藝的兼容性方面。例如，針對金線的高成本問題，在不影響性能的前提下探索其他低成本金屬或合金的應用可能性；在鍵合工藝控制方面，通過更先進的設備和控制算法來提高鍵合的精度和一致性。

（二）倒裝鍵合（FlipChip）

1. 基本原理與發展背景

• 倒裝鍵合是通過在芯片頂部形成凸點來實現芯片與基板間的電氣和機械連接的技術。與傳統引線鍵合相比，它突破了引線鍵合只能圍繞芯片四周進行引線連接的限制，使得可進行電氣連接的輸入/輸出（I/O）引腳數量和位置上的限制減少，擁有更多的連接密度。而且信號傳輸路徑更短，直接利用凸塊（Bump）進行電信號傳輸，傳輸速度更快，帶來更快的計算傳輸能力。

2. 倒裝鍵合的應用拓展

• 倒裝鍵合在不斷發展過程中廣泛應用于各種電子設備的芯片封裝。例如在一些對信號傳輸速度和集成度要求較高的芯片封裝，如高速通信芯片、高性能處理器等。隨著半導體技術的發展，倒裝鍵合技術在適應更小凸點尺寸、更高I/O密度以及不同芯片材料和結構的封裝方面不斷進步。像在一些微處理器和圖形芯片的封裝中，倒裝鍵合技術可以實現非常高的I/O密度，滿足芯片高性能運算的數據傳輸需求。

（三）混合鍵合（Hybrid Bonding）

1. 產生背景與突破

• 隨著半導體技術向異構集成技術轉型（將不同尺寸和材料的多種組件或芯粒集成到單個器件或封裝中以提升性能），混合鍵合技術應運而生。它是自極紫外光（EUV）技術問世以來，半導體制造領域最具革命性的創新之一，對芯片設計流程產生了深遠影響，延伸到封裝架構和芯粒單元設計和布局等方面，影響IP生態系統的重塑，模糊了先進制造和先進封裝之間的界限。

2. 混合鍵合的持續演進

• 在工藝方面不斷提升連接密度等性能。例如在2024年的研究成果顯示，3D堆疊芯片之間的連接密度可能達到創紀錄的水平：每平方毫米硅片上大約有700萬個連接。目前研究的重點在于優化工藝參數，如銅pad與絕緣層的結構與性能、加熱與壓力的控制等方面，以進一步提高其性能并簡化工藝流程，降低成本，使得混合鍵合技術能更適應大規模的芯片制造商業化應用。

二、鍵合技術在芯片制造中的重要性及演變

（一）鍵合技術在芯片制造中的重要性

1. 實現芯片的物理連接與電氣連接

• 在芯片封裝環節，鍵合技術將芯片與外部進行有效的電氣連接，無論是早期的引線鍵合中的金屬線連接，還是倒裝鍵合中的凸點連接以及混合鍵合中的更復雜的連接方式，都確保了芯片能與外部電路如基板、其他芯片等進行信號傳輸。這是芯片正常工作的基本保障，如果鍵合失效，會導致信號無法正常傳輸，整個芯片將無法發揮功能。例如，在手機芯片的封裝中，鍵合技術確保了處理器芯片、存儲芯片等之間的通信，如果鍵合出現問題，手機的各項功能將無法正常運行，如死機、數據丟失等情況可能發生。

2. 提高芯片的可靠性和穩定性

• 好的鍵合技術可以保證芯片在不同工作環境下的可靠性。例如，Wedge鍵合由于機械性質強和耐高溫特點，在衛星或深海設備等極端環境下的芯片可以保持穩定的工作狀態。而且鍵合還能消散芯片工作期間產生的熱量，同時保持恒定的導電性并實現高水平的絕緣性。如果鍵合技術不好，容易使芯片受到外界干擾（如電磁干擾等），從而影響其穩定性和壽命。

3. 推動芯片封裝向更高密度和性能發展

• 隨著芯片朝著更小尺寸、更高性能發展，鍵合技術也不斷演進以適應需求。如倒裝鍵合技術比傳統引線鍵合能實現更高的封裝密度，更短的線路互聯，這有利于減少干擾、降低容抗，從而提升芯片的整體性能。而混合鍵合技術更是將芯片封裝推向了三維集成的新高度，可以將兩個或多個芯片堆疊在一起構建所謂的3D芯片，大大提高了集成度和運算性能，滿足人們日益增長的算力需求。

• 在不同的應用領域對芯片的性能要求不同。以數據中心的服務器芯片為例，要求芯片有極高的運算速度和數據傳輸帶寬，鍵合技術需要保證在高密度封裝下同時實現高速信號傳輸；而在物聯網設備中的一些低功耗芯片，鍵合技術則要在保證性能的基礎上實現低功耗連接。

（二）重要性的演變及體現

1. 早期重要性基于基本連接功能

• 在芯片制造早期，鍵合技術剛剛發展的時候，它的主要重要性體現在將芯片簡單地連接起來，實現基礎的輸入輸出信號傳遞。例如在一些簡單的邏輯電路芯片的封裝，如早期的計算器芯片，引線鍵合技術將芯片和外部電路連接，保證計算器能執行基本的算術運算。鍵合技術的好壞直接決定了芯片是否能正常工作，在當時是一種基本的、不可或缺的技術。

2. 逐步向高性能和密度需求轉變

• 隨著電子產品的發展，如電腦、智能手機等設備對芯片性能和集成度有了更高要求。芯片封裝從簡單的雙列直插式封裝（DIP）向小型化、多功能的封裝形式發展。倒裝鍵合技術在此背景下顯得格外重要，它能夠滿足I/O引腳增加、信號傳輸速度加快等要求。例如在電腦CPU的封裝中，倒裝鍵合技術可以實現大量的引腳連接，并且縮短信號傳輸路徑，從而提高CPU的運算速度，使得電腦可以處理更復雜的任務。

3. 如今成為先進封裝的關鍵

• 當下，隨著混合鍵合技術的發展，鍵合技術已經成為實現3D芯片集成、異構集成等先進封裝的核心技術。在人工智能、大數據、5G通信等領域快速發展的今天，對芯片的算力、能效等方面有著極高要求。例如在一些人工智能芯片的封裝中，混合鍵合技術可以將不同功能的芯片（如計算芯片和存儲芯片）進行三維堆疊集成，實現高速的數據交互，提高芯片整體的性能效率。鍵合技術的重要性已經不僅體現在普通的封裝連接功能，更是決定著芯片能否滿足高端應用的關鍵因素。

三、芯片制造鍵合技術的最新研究進展

（一）鍵合技術的新成果

1. 微流控芯片集成制造領域

• 中南大學蔣炳炎 - 吳旺青團隊在微流控芯片集成制造取得新進展。他們提出一種面向模內鍵合集成制造的新型微流控芯片鍵合方法——基于可圖案化的微電極熔接。這種微電極鍵合原理是通過電沉積法制備的鎳微電極能夠以低于3伏的電壓在15秒內迅速完成芯片鍵合，可實現微流控芯片高強度、小變形協同鍵合。該方法不需要化學品或污染物，不需要復雜設備，是一種簡單、綠色和可持續的鍵合新方案，鍵合芯片爆破強度達到2.9MPa，微通道變形10%，為微流控芯片集成制造提供了新策略。

2. Micro LED性能提升方面

• 上海大學研究團隊開發了一種提高Micro LED微型顯示器設備集成度和性能的技術。在Micro LED像素陣列與硅控制電路集成方面，針對像素尺寸縮小到50微米以下時，傳統倒裝芯片接合工藝的粘合界面容易因微小缺陷和機械應力而失效的問題，他們通過使用分層金 - 銦 - 金（Au/In/Au）金屬夾層代替傳統的純銦凸塊來增強倒裝芯片接合工藝。該團隊通過倒裝芯片鍵合技術將Micro LED在200°C的溫和溫度下連接到硅上，避免加熱和冷卻不匹配造成的損壞，同時形成高導電性鍵合。結果顯示，與純銦相比，這種多層金屬夾層的倒裝芯片接合工藝將電阻降低了40%，且消除了接合表面的裂紋和間隙，測試剪切強度表明Au/In/Au鍵的機械強度是原來的三倍以上，展示出了更好的顯示性能，包括低工作電壓和創紀錄的高亮度（每平方米178萬坎德拉）。

3. 混合鍵合技術的高性能成果

• 在混合鍵合技術方面，各地的研究團隊不斷做出成果改進。英特爾的研究人員有相關研究成果，并且在2024年5月丹佛舉行的IEEE電子元件和技術會議（ECTC）上展示。目前3D堆疊芯片之間的連接密度可能達到創紀錄的水平：每平方毫米硅片上大約有700萬個連接。研究人員還在探索不同類型的表面（如碳氮化硅）來形成更多化學鍵，以提高晶圓之間的連接牢固性。同時研究者希望降低混合鍵合最后一步所需的高溫并縮短工藝時間，提高電導率和穩定性等方面也在進行研究，例如試圖使邊界上形成大的單晶銅顆粒。

（二）新型鍵合技術研發背后的動力

1. 滿足高算力需求

• 隨著人工智能、大數據等領域的發展，對芯片的運算能力要求不斷提高。傳統的芯片制造和鍵合技術難以滿足高性能運算時的數據傳輸速度和芯片集成度要求。例如，在深度學習算法中，需要芯片在短時間內處理海量的數據，如果芯片的連接鍵合技術不能很好地支持高速的數據傳輸，將會嚴重限制算法的執行效率和性能。新型鍵合技術如混合鍵合等的研發，通過提高芯片的集成度（如3D芯片堆疊等）和數據傳輸密度，可以大大提升芯片的運算能力，從而滿足高算力應用的需求。

2. 實現小型化和多功能集成

• 現代電子設備朝著小型化方向發展，如智能手機、可穿戴設備等。為了在更小的空間內集成更多的功能（如通信、感知、計算等），芯片需要更加密集的集成和更高效的鍵合技術。例如在可穿戴設備中，想要集成傳感器芯片、通信芯片和處理芯片等，需要新型的鍵合技術來實現這些芯片的低功耗、高效率連接，并且在有限的空間內保證芯片之間的連接可靠性，避免因為空間狹小、相互干擾等因素影響設備性能。

3. 追求更低功耗和更高能效

• 在能源緊張和對環保要求提升的背景下，芯片的低功耗需求愈發重要。新型鍵合技術的研發可以通過優化芯片之間的連接方式，降低信號傳輸的損失，提高電能利用率。例如在一些物聯網低功耗傳感器芯片的封裝中，高效的鍵合技術可以減少不必要的電能消耗，使芯片工作時間更長，減少電池更換頻率，從而提高整體設備的能效。

四、不同時期芯片制造鍵合技術的特點對比

（一）早期鍵合技術（以引線鍵合為代表）

1. 技術原理特點

• 引線鍵合通過加熱加壓或超聲波振動等方式提供能量，破壞焊盤表面氧化層和污染層，讓金屬引線與焊點之間形成原子擴散的致密層以實現連接。如熱壓法利用加熱和加壓、超聲波法利用超聲波振動的水平摩擦、熱超聲波法融合了超聲和加熱的多種方式等實現鍵合。

2. 材料與成本特點

• 引線鍵合可采用金、銀、銅、鋁等材料。金線早期使用較多，它導電性好、化學性穩定、耐腐蝕，但價格高，容易出現塌絲、拖尾和老化現象；銅線成本低、機械強度高但容易氧化硫化且需要氣體保護、鍵合點易開裂；鋁線經濟性好但鍵合設備較貴。從成本角度看，初期引線鍵合的設備和工藝成本相對較低，但隨著對鍵合性能和效率要求的提升，新材料的應用和工藝改進使得成本結構發生了變化，例如對金線的穩定供應和質量控制會增加成本。

3. 應用范圍與限制特點

• 引線鍵合被廣泛應用于SIP、DIP、QFP等早期封裝技術，在傳統封裝中應用較多。但它由于連線方式的限制，連接密度相對較低，信號傳輸路徑較長，比如在一些對I/O引腳數量和傳輸速度要求較高的高性能芯片封裝方面逐漸難以滿足需求，而且圍繞芯片四周進行引線連接也限制了整體布局的緊湊性。

（二）中期鍵合技術（以倒裝鍵合為代表）

1. 技術原理特點

• 倒裝鍵合是通過在芯片頂部形成凸點來實現芯片與基板間的電氣和機械連接。直接利用凸點進行電信號傳輸，與傳統引線鍵合的金屬引線連接方式完全不同，這種連接方式更短，能實現芯片與基板之間的高效電氣連接。

2. 材料與成本特點

• 倒裝鍵合的凸點材料可以是金、錫、銀或銅等多種材料。與引線鍵合相比，倒裝鍵合技術相對復雜一些，對設備和工藝要求更高，成本也相對較高。因為它需要精確形成凸點結構并且要保證凸點與基板的準確對接，這涉及到更多的工序和更嚴格的工藝控制。

3. 應用范圍與限制特點

• 倒裝鍵合在連接密度上顯著優于引線鍵合，可以在整個芯片正面植球，大大提高了可進行電氣連接的I/O引腳的數量，在需要高密度連接和高性能信號傳輸的應用場景中廣泛應用，如高速通信芯片、高性能處理器等。然而，倒裝鍵合在一些對成本比較敏感的大規模生產領域，成本相對較高的缺點限制了它的進一步市場拓展，而且在小尺寸的芯片封裝中可能面臨凸點制造精度和可靠性的挑戰。

（三）現代鍵合技術（以混合鍵合為代表）

1. 技術原理特點

• 混合鍵合的過程涉及到多個復雜的步驟。例如在混合鍵合中，銅pad建立在每個芯片的頂面上，周圍被絕緣層（如氧化硅）包圍，pad本身略微凹進絕緣層表面，然后將兩個芯片靠攏，先使氧化物之間形成初始鍵合，再緩慢加熱使銅膨脹到間隙處并熔合，實現電連接。它是一種能夠實現非常高的垂直連接密度的技術，并且通過精確控制工藝參數，可以使連接具有高性能和高可靠性。

2. 材料與成本特點

• 在材料方面主要利用銅等材料構建連接結構，并且對絕緣層材料等也有特殊要求。混合鍵合技術由于其復雜性和先進性，成本較高，但隨著技術的發展和規模生產的實現，成本有望逐漸下降。目前研究和生產過程中，需要高精度的設備和特殊的工藝條件，如化學機械平坦化（CMP）工藝來保證晶圓的平整度，這增加了設備成本和工藝要求成本。

3. 應用范圍與限制特點

• 主要應用于異構集成、3D芯片制造等高端領域，如在高性能處理器和人工智能芯片的封裝中可以實現多層芯片的堆疊，滿足高集成度、高性能和低延遲的數據傳輸需求。但混合鍵合技術對工藝環境和設備的要求極高，工藝的穩定性控制較難實現大規模生產容易出現質量波動等問題，而且要實現小尺寸下的精確鍵合目前還面臨一些技術挑戰，如芯片表面平整度的控制、銅pad結構和性能的精確控制等方面的挑戰。

五、未來芯片制造鍵合技術的發展趨勢預測

（一）向更高密度與更小尺寸發展

1. 提升連接密度的技術需求

• 隨著芯片朝著更高性能和多功能方向發展，對于鍵合技術的連接密度要求將不斷提高。例如在人工智能芯片領域，為了實現更強的運算能力并在更小的芯片面積上集成更多的計算單元和存儲單元，需要鍵合技術像混合鍵合這樣能夠實現更高的連接密度，達到每平方毫米更多的連接點。在3D芯片堆疊技術不斷發展的過程中，更多層的芯片堆疊需要更密集的垂直連接，以滿足芯片間高速的數據傳輸需求，未來的鍵合技術將朝著每平方毫米硅片上連接點數量進一步增多的方向發展。

2. 小尺寸下鍵合技術面臨的挑戰與應對

• 在小尺寸方面，當芯片尺寸進入納米級別甚至更小尺度時，鍵合技術面臨著巨大挑戰。比如在極紫外光（EUV）光刻技術支持下制造出的超小尺寸芯片，鍵合過程中芯片表面原子級別的平整度、粗糙度等對鍵合質量影響極大。目前應對這種情況的研究方向包括在先進的工藝制程中提高芯片制造過程中的平坦化工藝精度，以及開發新的鍵合技術或者改進現有技術中的微觀工藝控制環節。例如，改進混合鍵合技術中的銅pad與絕緣層的布局和形成工藝，使其在小尺寸下也能精確生成連接結構。

（二）滿足高性能與低功耗需求

1. 高速信號傳輸與高性能鍵合

• 在高性能要求的背景下，鍵合技術需要支持更高的信號傳輸速度和更低的信號延遲。例如在5G通信芯片和高性能圖形處理芯片中，高頻信號的傳輸在鍵合連接環節不能產生信號畸變和衰減。未來鍵合技術一方面可能通過改進連接材料和連接界面的物理化學特性來提高電導率，如探索新型金屬或者金屬合金作為連接材料；另一方面從鍵合結構設計上進行創新，優化信號傳輸路徑，如采用更短的連接距離或者特殊的連接結構（像三維的網狀連接結構等，以減小信號傳輸的路徑長度），從而滿足高速信號傳輸和高性能計算的需求。

2. 低功耗的鍵合技術變革

• 在低碳環保和節能的大趨勢下，芯片鍵合技術也將朝著低功耗方向發展。對于物聯網設備中的低功耗芯片來說，鍵合技術影響著芯片的整體功耗。未來可能通過優化鍵合工藝，減少連接過程中的電能損耗，如降低鍵合過程中的電阻、電容值。例如在材料選擇上，探索具有低電阻特性的金屬或其他材料用于鍵合，同時改進鍵合結構以降低寄生電容效應。此外，還可能通過智能控制算法，在芯片不同的工作模式下動態調整鍵合結構或者連接參數，以達到最低功耗的目的。

（三）實現多種材料和結構的鍵合

1. 異構集成下的多材料鍵合需求

• 異構集成技術成為未來芯片制造的重要趨勢，即將不同尺寸和材料的多種組件或芯粒集成到單個器件或封裝中。這就要求鍵合技術能夠適應多種不同的材料組合，如在將硅基芯片與化合物半導體芯片（如氮化鎵等）集成時，兩種不同屬性的材料需要一種高效兼容的鍵合技術。目前的鍵合技術在不同材料的鍵合兼容性上還存在局限，如不同材料的熱膨脹系數差異可能導致鍵合后的可靠性問題。未來的發展方向可能是研發出一種對多種材料都具有良好親和力和鍵合性能的中間層材料或者新的鍵合工藝，如開發特殊的化學物質或者工藝處理方法來提高不匹配材料之間的鍵合效果。

2. 復雜結構下的新型鍵合方式探索

• 隨著芯片結構的不斷創新，如從平面結構向三維結構、從規則形狀到不規則形狀的轉變，現有的鍵合技術面臨適應性的挑戰。對于具有三維復雜拓撲結構的芯片連接，如在一些新興的生物芯片或者智能傳感器芯片的獨特結構中，傳統的基于平面鍵合的技術難以滿足需求。未來需要探索適應這些復雜結構的新型鍵合方式，可能不再局限于傳統的點到點或者面到面的鍵合形式，而是向全方位、多角度、自適應的鍵合技術發展，例如可以根據芯片結構自動調整連接方式和形狀的智能鍵合技術。

（四）鍵合技術自動化與智能化趨勢

1. 自動化生產提高鍵合精度與效率

• 在鍵合設備制造方面，自動化程度將不斷提高。自動化的鍵合設備可以更精確地控制鍵合過程中的各種參數，如壓力、溫度、位置等。像在大規模芯片制造工廠中，自動化鍵合設備可以以更高的速度和精度完成芯片的鍵合任務，減少人為操作帶來的誤差。例如在貼片鍵合環節，自動化設備通過視覺識別系統和精密的機械臂運動，可以將芯片精確地放置并鍵合在指定位置，其精度可以達到微米甚至納米級別，相比傳統人工操作大大提高了鍵合精度和效率。

2. 智能化工藝優化與質量控制

• 智能化也是未來鍵合技術的發展趨勢。通過人工智能和機器學習技術，可以對鍵合過程中的數據進行實時監測和分析。利用數據挖掘技術，從海量的鍵合工藝數據中發現規律和問題，實現對鍵合工藝的智能化優化。例如，根據不同芯片的特性和鍵合要求，智能系統可以自動調整鍵合設備的參數，并且可以提前預測鍵合過程中的故障和質量問題，進行預警和干預。這有助于提高鍵合產品的質量控制水平，降低不良品率，提高鍵合技術在芯片制造過程中的整體可靠性和穩定性。

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 污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

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