一、键合技术的发展历程

键合工艺发展经历了从引线键合到混合键合的过程。从上世纪70年代起，其发展历程涵盖了引线键合、倒装、热压贴合、扇出型封装和混合键合，连接方式从最初的引线键合到锡球再到铜 - 铜键合，单位面积连接密度提高了超过2000倍。

（一）引线键合（Wire Bonding）

1. 发展早期

• 引线键合是最早提出的芯片键合方式，被广泛应用于SIP、DIP、QFP等早期封装技术。它是把内外部芯片连接起来的技术，金属引线在芯片焊盘（一次键合）和基板焊盘（二次键合）间充当桥梁，使电信号能在芯片和基板间传递。工艺实现有热压法、超声波法、热超声波法等。

• 热压法（Thermo - compression Method）：热压法是最早的键合技术，在工艺中，需要将芯片焊盘温度提前加热到200℃左右，再提高毛细管劈刀尖端温度变成球状，通过劈刀向焊盘施加压力，使金属引线与焊盘连接，但目前此方式已很少使用。

• 超声波法（Ultrasonic Method）：该方法在楔形劈刀上施加超声波使其水平振动，让金属引线在焊盘迅速摩擦发生形变而连接。其优点是工艺和材料成本低，可以常温操作。不过，由于它主要利用金属丝形变的物理变化，键合拉伸强度较弱，容易出现脱落现象。

• 热超声波法（Thermosonic）：这种方式融合了热压和超声焊的优点，以超声作用去除焊盘表面一般氧化层，再加热焊接界面使原子互相扩散形成致密层。在过程中，基板温度控制在120 - 240摄氏度之间，有效抑制金属间化合物的生产，提高键合可靠性。例如最常使用的热超声波金丝球键合法，一次键合是金丝穿过毛细管劈刀小孔，加热末端形成金丝球后粘合到加热的焊盘上；二次键合是向劈刀施加热、压力和超声波振动，将二次形成的金丝球碾压在PCB焊盘上后完成键合。

• 引线键合可按材料分类，有金、银、铜和铝等材质。金线早期渗透率高，导电性好且化学性稳定、耐腐蚀，但价格较高，且容易塌丝、拖尾和老化。随着经济需求提升，在保持或提高键合性能的同时降低成本成为目标。铜线成本低、机械强度高、焊接后线弧稳定性好，用于大电流设备，不过容易氧化硫化，需要气体保护且键合点易开裂；铝线经济性好，用于高温封装（如Hermetic）或超声波法等无法使用金丝的地方，但键合设备较贵，目前主要用于功率器件、微波器件和光电器件封装。

2. 引线键合的持续发展

• 随着技术发展，引线键合技术虽然面临成本和适应新封装要求等挑战，但在传统封装领域仍然占据重要地位。改进方向主要集中在提高键合速度、降低缺陷率以及与多种封装工艺的兼容性方面。例如，针对金线的高成本问题，在不影响性能的前提下探索其他低成本金属或合金的应用可能性；在键合工艺控制方面，通过更先进的设备和控制算法来提高键合的精度和一致性。

（二）倒装键合（FlipChip）

1. 基本原理与发展背景

• 倒装键合是通过在芯片顶部形成凸点来实现芯片与基板间的电气和机械连接的技术。与传统引线键合相比，它突破了引线键合只能围绕芯片四周进行引线连接的限制，使得可进行电气连接的输入/输出（I/O）引脚数量和位置上的限制减少，拥有更多的连接密度。而且信号传输路径更短，直接利用凸块（Bump）进行电信号传输，传输速度更快，带来更快的计算传输能力。

2. 倒装键合的应用拓展

• 倒装键合在不断发展过程中广泛应用于各种电子设备的芯片封装。例如在一些对信号传输速度和集成度要求较高的芯片封装，如高速通信芯片、高性能处理器等。随着半导体技术的发展，倒装键合技术在适应更小凸点尺寸、更高I/O密度以及不同芯片材料和结构的封装方面不断进步。像在一些微处理器和图形芯片的封装中，倒装键合技术可以实现非常高的I/O密度，满足芯片高性能运算的数据传输需求。

（三）混合键合（Hybrid Bonding）

1. 产生背景与突破

• 随着半导体技术向异构集成技术转型（将不同尺寸和材料的多种组件或芯粒集成到单个器件或封装中以提升性能），混合键合技术应运而生。它是自极紫外光（EUV）技术问世以来，半导体制造领域最具革命性的创新之一，对芯片设计流程产生了深远影响，延伸到封装架构和芯粒单元设计和布局等方面，影响IP生态系统的重塑，模糊了先进制造和先进封装之间的界限。

2. 混合键合的持续演进

• 在工艺方面不断提升连接密度等性能。例如在2024年的研究成果显示，3D堆叠芯片之间的连接密度可能达到创纪录的水平：每平方毫米硅片上大约有700万个连接。目前研究的重点在于优化工艺参数，如铜pad与绝缘层的结构与性能、加热与压力的控制等方面，以进一步提高其性能并简化工艺流程，降低成本，使得混合键合技术能更适应大规模的芯片制造商业化应用。

二、键合技术在芯片制造中的重要性及演变

（一）键合技术在芯片制造中的重要性

1. 实现芯片的物理连接与电气连接

• 在芯片封装环节，键合技术将芯片与外部进行有效的电气连接，无论是早期的引线键合中的金属线连接，还是倒装键合中的凸点连接以及混合键合中的更复杂的连接方式，都确保了芯片能与外部电路如基板、其他芯片等进行信号传输。这是芯片正常工作的基本保障，如果键合失效，会导致信号无法正常传输，整个芯片将无法发挥功能。例如，在手机芯片的封装中，键合技术确保了处理器芯片、存储芯片等之间的通信，如果键合出现问题，手机的各项功能将无法正常运行，如死机、数据丢失等情况可能发生。

2. 提高芯片的可靠性和稳定性

• 好的键合技术可以保证芯片在不同工作环境下的可靠性。例如，Wedge键合由于机械性质强和耐高温特点，在卫星或深海设备等极端环境下的芯片可以保持稳定的工作状态。而且键合还能消散芯片工作期间产生的热量，同时保持恒定的导电性并实现高水平的绝缘性。如果键合技术不好，容易使芯片受到外界干扰（如电磁干扰等），从而影响其稳定性和寿命。

3. 推动芯片封装向更高密度和性能发展

• 随着芯片朝着更小尺寸、更高性能发展，键合技术也不断演进以适应需求。如倒装键合技术比传统引线键合能实现更高的封装密度，更短的线路互联，这有利于减少干扰、降低容抗，从而提升芯片的整体性能。而混合键合技术更是将芯片封装推向了三维集成的新高度，可以将两个或多个芯片堆叠在一起构建所谓的3D芯片，大大提高了集成度和运算性能，满足人们日益增长的算力需求。

• 在不同的应用领域对芯片的性能要求不同。以数据中心的服务器芯片为例，要求芯片有极高的运算速度和数据传输带宽，键合技术需要保证在高密度封装下同时实现高速信号传输；而在物联网设备中的一些低功耗芯片，键合技术则要在保证性能的基础上实现低功耗连接。

（二）重要性的演变及体现

1. 早期重要性基于基本连接功能

• 在芯片制造早期，键合技术刚刚发展的时候，它的主要重要性体现在将芯片简单地连接起来，实现基础的输入输出信号传递。例如在一些简单的逻辑电路芯片的封装，如早期的计算器芯片，引线键合技术将芯片和外部电路连接，保证计算器能执行基本的算术运算。键合技术的好坏直接决定了芯片是否能正常工作，在当时是一种基本的、不可或缺的技术。

2. 逐步向高性能和密度需求转变

• 随着电子产品的发展，如电脑、智能手机等设备对芯片性能和集成度有了更高要求。芯片封装从简单的双列直插式封装（DIP）向小型化、多功能的封装形式发展。倒装键合技术在此背景下显得格外重要，它能够满足I/O引脚增加、信号传输速度加快等要求。例如在电脑CPU的封装中，倒装键合技术可以实现大量的引脚连接，并且缩短信号传输路径，从而提高CPU的运算速度，使得电脑可以处理更复杂的任务。

3. 如今成为先进封装的关键

• 当下，随着混合键合技术的发展，键合技术已经成为实现3D芯片集成、异构集成等先进封装的核心技术。在人工智能、大数据、5G通信等领域快速发展的今天，对芯片的算力、能效等方面有着极高要求。例如在一些人工智能芯片的封装中，混合键合技术可以将不同功能的芯片（如计算芯片和存储芯片）进行三维堆叠集成，实现高速的数据交互，提高芯片整体的性能效率。键合技术的重要性已经不仅体现在普通的封装连接功能，更是决定着芯片能否满足高端应用的关键因素。

三、芯片制造键合技术的最新研究进展

（一）键合技术的新成果

1. 微流控芯片集成制造领域

• 中南大学蒋炳炎 - 吴旺青团队在微流控芯片集成制造取得新进展。他们提出一种面向模内键合集成制造的新型微流控芯片键合方法——基于可图案化的微电极熔接。这种微电极键合原理是通过电沉积法制备的镍微电极能够以低于3伏的电压在15秒内迅速完成芯片键合，可实现微流控芯片高强度、小变形协同键合。该方法不需要化学品或污染物，不需要复杂设备，是一种简单、绿色和可持续的键合新方案，键合芯片爆破强度达到2.9MPa，微通道变形10%，为微流控芯片集成制造提供了新策略。

2. Micro LED性能提升方面

• 上海大学研究团队开发了一种提高Micro LED微型显示器设备集成度和性能的技术。在Micro LED像素阵列与硅控制电路集成方面，针对像素尺寸缩小到50微米以下时，传统倒装芯片接合工艺的粘合界面容易因微小缺陷和机械应力而失效的问题，他们通过使用分层金 - 铟 - 金（Au/In/Au）金属夹层代替传统的纯铟凸块来增强倒装芯片接合工艺。该团队通过倒装芯片键合技术将Micro LED在200°C的温和温度下连接到硅上，避免加热和冷却不匹配造成的损坏，同时形成高导电性键合。结果显示，与纯铟相比，这种多层金属夹层的倒装芯片接合工艺将电阻降低了40%，且消除了接合表面的裂纹和间隙，测试剪切强度表明Au/In/Au键的机械强度是原来的三倍以上，展示出了更好的显示性能，包括低工作电压和创纪录的高亮度（每平方米178万坎德拉）。

3. 混合键合技术的高性能成果

• 在混合键合技术方面，各地的研究团队不断做出成果改进。英特尔的研究人员有相关研究成果，并且在2024年5月丹佛举行的IEEE电子元件和技术会议（ECTC）上展示。目前3D堆叠芯片之间的连接密度可能达到创纪录的水平：每平方毫米硅片上大约有700万个连接。研究人员还在探索不同类型的表面（如碳氮化硅）来形成更多化学键，以提高晶圆之间的连接牢固性。同时研究者希望降低混合键合最后一步所需的高温并缩短工艺时间，提高电导率和稳定性等方面也在进行研究，例如试图使边界上形成大的单晶铜颗粒。

（二）新型键合技术研发背后的动力

1. 满足高算力需求

• 随着人工智能、大数据等领域的发展，对芯片的运算能力要求不断提高。传统的芯片制造和键合技术难以满足高性能运算时的数据传输速度和芯片集成度要求。例如，在深度学习算法中，需要芯片在短时间内处理海量的数据，如果芯片的连接键合技术不能很好地支持高速的数据传输，将会严重限制算法的执行效率和性能。新型键合技术如混合键合等的研发，通过提高芯片的集成度（如3D芯片堆叠等）和数据传输密度，可以大大提升芯片的运算能力，从而满足高算力应用的需求。

2. 实现小型化和多功能集成

• 现代电子设备朝着小型化方向发展，如智能手机、可穿戴设备等。为了在更小的空间内集成更多的功能（如通信、感知、计算等），芯片需要更加密集的集成和更高效的键合技术。例如在可穿戴设备中，想要集成传感器芯片、通信芯片和处理芯片等，需要新型的键合技术来实现这些芯片的低功耗、高效率连接，并且在有限的空间内保证芯片之间的连接可靠性，避免因为空间狭小、相互干扰等因素影响设备性能。

3. 追求更低功耗和更高能效

• 在能源紧张和对环保要求提升的背景下，芯片的低功耗需求愈发重要。新型键合技术的研发可以通过优化芯片之间的连接方式，降低信号传输的损失，提高电能利用率。例如在一些物联网低功耗传感器芯片的封装中，高效的键合技术可以减少不必要的电能消耗，使芯片工作时间更长，减少电池更换频率，从而提高整体设备的能效。

四、不同时期芯片制造键合技术的特点对比

（一）早期键合技术（以引线键合为代表）

1. 技术原理特点

• 引线键合通过加热加压或超声波振动等方式提供能量，破坏焊盘表面氧化层和污染层，让金属引线与焊点之间形成原子扩散的致密层以实现连接。如热压法利用加热和加压、超声波法利用超声波振动的水平摩擦、热超声波法融合了超声和加热的多种方式等实现键合。

2. 材料与成本特点

• 引线键合可采用金、银、铜、铝等材料。金线早期使用较多，它导电性好、化学性稳定、耐腐蚀，但价格高，容易出现塌丝、拖尾和老化现象；铜线成本低、机械强度高但容易氧化硫化且需要气体保护、键合点易开裂；铝线经济性好但键合设备较贵。从成本角度看，初期引线键合的设备和工艺成本相对较低，但随着对键合性能和效率要求的提升，新材料的应用和工艺改进使得成本结构发生了变化，例如对金线的稳定供应和质量控制会增加成本。

3. 应用范围与限制特点

• 引线键合被广泛应用于SIP、DIP、QFP等早期封装技术，在传统封装中应用较多。但它由于连线方式的限制，连接密度相对较低，信号传输路径较长，比如在一些对I/O引脚数量和传输速度要求较高的高性能芯片封装方面逐渐难以满足需求，而且围绕芯片四周进行引线连接也限制了整体布局的紧凑性。

（二）中期键合技术（以倒装键合为代表）

1. 技术原理特点

• 倒装键合是通过在芯片顶部形成凸点来实现芯片与基板间的电气和机械连接。直接利用凸点进行电信号传输，与传统引线键合的金属引线连接方式完全不同，这种连接方式更短，能实现芯片与基板之间的高效电气连接。

2. 材料与成本特点

• 倒装键合的凸点材料可以是金、锡、银或铜等多种材料。与引线键合相比，倒装键合技术相对复杂一些，对设备和工艺要求更高，成本也相对较高。因为它需要精确形成凸点结构并且要保证凸点与基板的准确对接，这涉及到更多的工序和更严格的工艺控制。

3. 应用范围与限制特点

• 倒装键合在连接密度上显著优于引线键合，可以在整个芯片正面植球，大大提高了可进行电气连接的I/O引脚的数量，在需要高密度连接和高性能信号传输的应用场景中广泛应用，如高速通信芯片、高性能处理器等。然而，倒装键合在一些对成本比较敏感的大规模生产领域，成本相对较高的缺点限制了它的进一步市场拓展，而且在小尺寸的芯片封装中可能面临凸点制造精度和可靠性的挑战。

（三）现代键合技术（以混合键合为代表）

1. 技术原理特点

• 混合键合的过程涉及到多个复杂的步骤。例如在混合键合中，铜pad建立在每个芯片的顶面上，周围被绝缘层（如氧化硅）包围，pad本身略微凹进绝缘层表面，然后将两个芯片靠拢，先使氧化物之间形成初始键合，再缓慢加热使铜膨胀到间隙处并熔合，实现电连接。它是一种能够实现非常高的垂直连接密度的技术，并且通过精确控制工艺参数，可以使连接具有高性能和高可靠性。

2. 材料与成本特点

• 在材料方面主要利用铜等材料构建连接结构，并且对绝缘层材料等也有特殊要求。混合键合技术由于其复杂性和先进性，成本较高，但随着技术的发展和规模生产的实现，成本有望逐渐下降。目前研究和生产过程中，需要高精度的设备和特殊的工艺条件，如化学机械平坦化（CMP）工艺来保证晶圆的平整度，这增加了设备成本和工艺要求成本。

3. 应用范围与限制特点

• 主要应用于异构集成、3D芯片制造等高端领域，如在高性能处理器和人工智能芯片的封装中可以实现多层芯片的堆叠，满足高集成度、高性能和低延迟的数据传输需求。但混合键合技术对工艺环境和设备的要求极高，工艺的稳定性控制较难实现大规模生产容易出现质量波动等问题，而且要实现小尺寸下的精确键合目前还面临一些技术挑战，如芯片表面平整度的控制、铜pad结构和性能的精确控制等方面的挑战。

五、未来芯片制造键合技术的发展趋势预测

（一）向更高密度与更小尺寸发展

1. 提升连接密度的技术需求

• 随着芯片朝着更高性能和多功能方向发展，对于键合技术的连接密度要求将不断提高。例如在人工智能芯片领域，为了实现更强的运算能力并在更小的芯片面积上集成更多的计算单元和存储单元，需要键合技术像混合键合这样能够实现更高的连接密度，达到每平方毫米更多的连接点。在3D芯片堆叠技术不断发展的过程中，更多层的芯片堆叠需要更密集的垂直连接，以满足芯片间高速的数据传输需求，未来的键合技术将朝着每平方毫米硅片上连接点数量进一步增多的方向发展。

2. 小尺寸下键合技术面临的挑战与应对

• 在小尺寸方面，当芯片尺寸进入纳米级别甚至更小尺度时，键合技术面临着巨大挑战。比如在极紫外光（EUV）光刻技术支持下制造出的超小尺寸芯片，键合过程中芯片表面原子级别的平整度、粗糙度等对键合质量影响极大。目前应对这种情况的研究方向包括在先进的工艺制程中提高芯片制造过程中的平坦化工艺精度，以及开发新的键合技术或者改进现有技术中的微观工艺控制环节。例如，改进混合键合技术中的铜pad与绝缘层的布局和形成工艺，使其在小尺寸下也能精确生成连接结构。

（二）满足高性能与低功耗需求

1. 高速信号传输与高性能键合

• 在高性能要求的背景下，键合技术需要支持更高的信号传输速度和更低的信号延迟。例如在5G通信芯片和高性能图形处理芯片中，高频信号的传输在键合连接环节不能产生信号畸变和衰减。未来键合技术一方面可能通过改进连接材料和连接界面的物理化学特性来提高电导率，如探索新型金属或者金属合金作为连接材料；另一方面从键合结构设计上进行创新，优化信号传输路径，如采用更短的连接距离或者特殊的连接结构（像三维的网状连接结构等，以减小信号传输的路径长度），从而满足高速信号传输和高性能计算的需求。

2. 低功耗的键合技术变革

• 在低碳环保和节能的大趋势下，芯片键合技术也将朝着低功耗方向发展。对于物联网设备中的低功耗芯片来说，键合技术影响着芯片的整体功耗。未来可能通过优化键合工艺，减少连接过程中的电能损耗，如降低键合过程中的电阻、电容值。例如在材料选择上，探索具有低电阻特性的金属或其他材料用于键合，同时改进键合结构以降低寄生电容效应。此外，还可能通过智能控制算法，在芯片不同的工作模式下动态调整键合结构或者连接参数，以达到最低功耗的目的。

（三）实现多种材料和结构的键合

1. 异构集成下的多材料键合需求

• 异构集成技术成为未来芯片制造的重要趋势，即将不同尺寸和材料的多种组件或芯粒集成到单个器件或封装中。这就要求键合技术能够适应多种不同的材料组合，如在将硅基芯片与化合物半导体芯片（如氮化镓等）集成时，两种不同属性的材料需要一种高效兼容的键合技术。目前的键合技术在不同材料的键合兼容性上还存在局限，如不同材料的热膨胀系数差异可能导致键合后的可靠性问题。未来的发展方向可能是研发出一种对多种材料都具有良好亲和力和键合性能的中间层材料或者新的键合工艺，如开发特殊的化学物质或者工艺处理方法来提高不匹配材料之间的键合效果。

2. 复杂结构下的新型键合方式探索

• 随着芯片结构的不断创新，如从平面结构向三维结构、从规则形状到不规则形状的转变，现有的键合技术面临适应性的挑战。对于具有三维复杂拓扑结构的芯片连接，如在一些新兴的生物芯片或者智能传感器芯片的独特结构中，传统的基于平面键合的技术难以满足需求。未来需要探索适应这些复杂结构的新型键合方式，可能不再局限于传统的点到点或者面到面的键合形式，而是向全方位、多角度、自适应的键合技术发展，例如可以根据芯片结构自动调整连接方式和形状的智能键合技术。

（四）键合技术自动化与智能化趋势

1. 自动化生产提高键合精度与效率

• 在键合设备制造方面，自动化程度将不断提高。自动化的键合设备可以更精确地控制键合过程中的各种参数，如压力、温度、位置等。像在大规模芯片制造工厂中，自动化键合设备可以以更高的速度和精度完成芯片的键合任务，减少人为操作带来的误差。例如在贴片键合环节，自动化设备通过视觉识别系统和精密的机械臂运动，可以将芯片精确地放置并键合在指定位置，其精度可以达到微米甚至纳米级别，相比传统人工操作大大提高了键合精度和效率。

2. 智能化工艺优化与质量控制

• 智能化也是未来键合技术的发展趋势。通过人工智能和机器学习技术，可以对键合过程中的数据进行实时监测和分析。利用数据挖掘技术，从海量的键合工艺数据中发现规律和问题，实现对键合工艺的智能化优化。例如，根据不同芯片的特性和键合要求，智能系统可以自动调整键合设备的参数，并且可以提前预测键合过程中的故障和质量问题，进行预警和干预。这有助于提高键合产品的质量控制水平，降低不良品率，提高键合技术在芯片制造过程中的整体可靠性和稳定性。

 芯片封装清洗介绍

合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

 污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

 这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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