一、鍵合技術(shù)的發(fā)展歷程

鍵合工藝發(fā)展經(jīng)歷了從引線鍵合到混合鍵合的過(guò)程。從上世紀(jì)70年代起，其發(fā)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(guò)2000倍。

（一）引線鍵合（Wire Bonding）

1. 發(fā)展早期

• 引線鍵合是最早提出的芯片鍵合方式，被廣泛應(yīng)用于SIP、DIP、QFP等早期封裝技術(shù)。它是把內(nèi)外部芯片連接起來(lái)的技術(shù)，金屬引線在芯片焊盤(pán)（一次鍵合）和基板焊盤(pán)（二次鍵合）間充當(dāng)橋梁，使電信號(hào)能在芯片和基板間傳遞。工藝實(shí)現(xiàn)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(shù)，在工藝中，需要將芯片焊盤(pán)溫度提前加熱到200℃左右，再提高毛細(xì)管劈刀尖端溫度變成球狀，通過(guò)劈刀向焊盤(pán)施加壓力，使金屬引線與焊盤(pán)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(dòng)，讓金屬引線在焊盤(pán)迅速摩擦發(fā)生形變而連接。其優(yōu)點(diǎn)是工藝和材料成本低，可以常溫操作。不過(guò)，由于它主要利用金屬絲形變的物理變化，鍵合拉伸強(qiáng)度較弱，容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

• 熱超聲波法（Thermosonic）：這種方式融合了熱壓和超聲焊的優(yōu)點(diǎn)，以超聲作用去除焊盤(pán)表面一般氧化層，再加熱焊接界面使原子互相擴(kuò)散形成致密層。在過(guò)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(chǎn)，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(guò)毛細(xì)管劈刀小孔，加熱末端形成金絲球后粘合到加熱的焊盤(pán)上；二次鍵合是向劈刀施加熱、壓力和超聲波振動(dòng)，將二次形成的金絲球碾壓在PCB焊盤(pán)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(zhì)。金線早期滲透率高，導(dǎo)電性好且化學(xué)性穩(wěn)定、耐腐蝕，但價(jià)格較高，且容易塌絲、拖尾和老化。隨著經(jīng)濟(jì)需求提升，在保持或提高鍵合性能的同時(shí)降低成本成為目標(biāo)。銅線成本低、機(jī)械強(qiáng)度高、焊接后線弧穩(wěn)定性好，用于大電流設(shè)備，不過(guò)容易氧化硫化，需要?dú)怏w保護(hù)且鍵合點(diǎn)易開(kāi)裂；鋁線經(jīng)濟(jì)性好，用于高溫封裝（如Hermetic）或超聲波法等無(wú)法使用金絲的地方，但鍵合設(shè)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(xù)發(fā)展

• 隨著技術(shù)發(fā)展，引線鍵合技術(shù)雖然面臨成本和適應(yīng)新封裝要求等挑戰(zhàn)，但在傳統(tǒng)封裝領(lǐng)域仍然占據(jù)重要地位。改進(jìn)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(duì)金線的高成本問(wèn)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(yīng)用可能性；在鍵合工藝控制方面，通過(guò)更先進(jìn)的設(shè)備和控制算法來(lái)提高鍵合的精度和一致性。

（二）倒裝鍵合（FlipChip）

1. 基本原理與發(fā)展背景

• 倒裝鍵合是通過(guò)在芯片頂部形成凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣和機(jī)械連接的技術(shù)。與傳統(tǒng)引線鍵合相比，它突破了引線鍵合只能圍繞芯片四周進(jìn)行引線連接的限制，使得可進(jìn)行電氣連接的輸入/輸出（I/O）引腳數(shù)量和位置上的限制減少，擁有更多的連接密度。而且信號(hào)傳輸路徑更短，直接利用凸塊（Bump）進(jìn)行電信號(hào)傳輸，傳輸速度更快，帶來(lái)更快的計(jì)算傳輸能力。

2. 倒裝鍵合的應(yīng)用拓展

• 倒裝鍵合在不斷發(fā)展過(guò)程中廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備的芯片封裝。例如在一些對(duì)信號(hào)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，倒裝鍵合技術(shù)在適應(yīng)更小凸點(diǎn)尺寸、更高I/O密度以及不同芯片材料和結(jié)構(gòu)的封裝方面不斷進(jìn)步。像在一些微處理器和圖形芯片的封裝中，倒裝鍵合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常高的I/O密度，滿足芯片高性能運(yùn)算的數(shù)據(jù)傳輸需求。

（三）混合鍵合（Hybrid Bonding）

1. 產(chǎn)生背景與突破

• 隨著半導(dǎo)體技術(shù)向異構(gòu)集成技術(shù)轉(zhuǎn)型（將不同尺寸和材料的多種組件或芯粒集成到單個(gè)器件或封裝中以提升性能），混合鍵合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它是自極紫外光（EUV）技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，半導(dǎo)體制造領(lǐng)域最具革命性的創(chuàng)新之一，對(duì)芯片設(shè)計(jì)流程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，延伸到封裝架構(gòu)和芯粒單元設(shè)計(jì)和布局等方面，影響IP生態(tài)系統(tǒng)的重塑，模糊了先進(jìn)制造和先進(jìn)封裝之間的界限。

2. 混合鍵合的持續(xù)演進(jìn)

• 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(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的水平：每平方毫米硅片上大約有700萬(wàn)個(gè)連接。目前研究的重點(diǎn)在于優(yōu)化工藝參數(shù)，如銅pad與絕緣層的結(jié)構(gòu)與性能、加熱與壓力的控制等方面，以進(jìn)一步提高其性能并簡(jiǎn)化工藝流程，降低成本，使得混合鍵合技術(shù)能更適應(yīng)大規(guī)模的芯片制造商業(yè)化應(yīng)用。

二、鍵合技術(shù)在芯片制造中的重要性及演變

（一）鍵合技術(shù)在芯片制造中的重要性

1. 實(shí)現(xiàn)芯片的物理連接與電氣連接

• 在芯片封裝環(huán)節(jié)，鍵合技術(shù)將芯片與外部進(jìn)行有效的電氣連接，無(wú)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(diǎn)連接以及混合鍵合中的更復(fù)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(jìn)行信號(hào)傳輸。這是芯片正常工作的基本保障，如果鍵合失效，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正常傳輸，整個(gè)芯片將無(wú)法發(fā)揮功能。例如，在手機(jī)芯片的封裝中，鍵合技術(shù)確保了處理器芯片、存儲(chǔ)芯片等之間的通信，如果鍵合出現(xiàn)問(wèn)題，手機(jī)的各項(xiàng)功能將無(wú)法正常運(yùn)行，如死機(jī)、數(shù)據(jù)丟失等情況可能發(fā)生。

2. 提高芯片的可靠性和穩(wěn)定性

• 好的鍵合技術(shù)可以保證芯片在不同工作環(huán)境下的可靠性。例如，Wedge鍵合由于機(jī)械性質(zhì)強(qiáng)和耐高溫特點(diǎn)，在衛(wèi)星或深海設(shè)備等極端環(huán)境下的芯片可以保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。而且鍵合還能消散芯片工作期間產(chǎn)生的熱量，同時(shí)保持恒定的導(dǎo)電性并實(shí)現(xiàn)高水平的絕緣性。如果鍵合技術(shù)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(wěn)定性和壽命。

3. 推動(dòng)芯片封裝向更高密度和性能發(fā)展

• 隨著芯片朝著更小尺寸、更高性能發(fā)展，鍵合技術(shù)也不斷演進(jìn)以適應(yīng)需求。如倒裝鍵合技術(shù)比傳統(tǒng)引線鍵合能實(shí)現(xiàn)更高的封裝密度，更短的線路互聯(lián)，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(shù)更是將芯片封裝推向了三維集成的新高度，可以將兩個(gè)或多個(gè)芯片堆疊在一起構(gòu)建所謂的3D芯片，大大提高了集成度和運(yùn)算性能，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的算力需求。

• 在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π酒男阅芤蟛煌?。以?shù)據(jù)中心的服務(wù)器芯片為例，要求芯片有極高的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)傳輸帶寬，鍵合技術(shù)需要保證在高密度封裝下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)傳輸；而在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的一些低功耗芯片，鍵合技術(shù)則要在保證性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低功耗連接。

（二）重要性的演變及體現(xiàn)

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(shù)剛剛發(fā)展的時(shí)候，它的主要重要性體現(xiàn)在將芯片簡(jiǎn)單地連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的輸入輸出信號(hào)傳遞。例如在一些簡(jiǎn)單的邏輯電路芯片的封裝，如早期的計(jì)算器芯片，引線鍵合技術(shù)將芯片和外部電路連接，保證計(jì)算器能執(zhí)行基本的算術(shù)運(yùn)算。鍵合技術(shù)的好壞直接決定了芯片是否能正常工作，在當(dāng)時(shí)是一種基本的、不可或缺的技術(shù)。

2. 逐步向高性能和密度需求轉(zhuǎn)變

• 隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，如電腦、智能手機(jī)等設(shè)備對(duì)芯片性能和集成度有了更高要求。芯片封裝從簡(jiǎn)單的雙列直插式封裝（DIP）向小型化、多功能的封裝形式發(fā)展。倒裝鍵合技術(shù)在此背景下顯得格外重要，它能夠滿足I/O引腳增加、信號(hào)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)大量的引腳連接，并且縮短信號(hào)傳輸路徑，從而提高CPU的運(yùn)算速度，使得電腦可以處理更復(fù)雜的任務(wù)。

3. 如今成為先進(jìn)封裝的關(guān)鍵

• 當(dāng)下，隨著混合鍵合技術(shù)的發(fā)展，鍵合技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)3D芯片集成、異構(gòu)集成等先進(jìn)封裝的核心技術(shù)。在人工智能、大數(shù)據(jù)、5G通信等領(lǐng)域快速發(fā)展的今天，對(duì)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(shù)可以將不同功能的芯片（如計(jì)算芯片和存儲(chǔ)芯片）進(jìn)行三維堆疊集成，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交互，提高芯片整體的性能效率。鍵合技術(shù)的重要性已經(jīng)不僅體現(xiàn)在普通的封裝連接功能，更是決定著芯片能否滿足高端應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

三、芯片制造鍵合技術(shù)的最新研究進(jìn)展

（一）鍵合技術(shù)的新成果

1. 微流控芯片集成制造領(lǐng)域

• 中南大學(xué)蔣炳炎 - 吳旺青團(tuán)隊(duì)在微流控芯片集成制造取得新進(jìn)展。他們提出一種面向模內(nèi)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(guò)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(nèi)迅速完成芯片鍵合，可實(shí)現(xiàn)微流控芯片高強(qiáng)度、小變形協(xié)同鍵合。該方法不需要化學(xué)品或污染物，不需要復(fù)雜設(shè)備，是一種簡(jiǎn)單、綠色和可持續(xù)的鍵合新方案，鍵合芯片爆破強(qiáng)度達(dá)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種提高M(jìn)icro LED微型顯示器設(shè)備集成度和性能的技術(shù)。在Micro LED像素陣列與硅控制電路集成方面，針對(duì)像素尺寸縮小到50微米以下時(shí)，傳統(tǒng)倒裝芯片接合工藝的粘合界面容易因微小缺陷和機(jī)械應(yīng)力而失效的問(wèn)題，他們通過(guò)使用分層金 - 銦 - 金（Au/In/Au）金屬夾層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的純銦凸塊來(lái)增強(qiáng)倒裝芯片接合工藝。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)倒裝芯片鍵合技術(shù)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(shí)形成高導(dǎo)電性鍵合。結(jié)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(cè)試剪切強(qiáng)度表明Au/In/Au鍵的機(jī)械強(qiáng)度是原來(lái)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(chuàng)紀(jì)錄的高亮度（每平方米178萬(wàn)坎德拉）。

3. 混合鍵合技術(shù)的高性能成果

• 在混合鍵合技術(shù)方面，各地的研究團(tuán)隊(duì)不斷做出成果改進(jìn)。英特爾的研究人員有相關(guān)研究成果，并且在2024年5月丹佛舉行的IEEE電子元件和技術(shù)會(huì)議（ECTC）上展示。目前3D堆疊芯片之間的連接密度可能達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的水平：每平方毫米硅片上大約有700萬(wàn)個(gè)連接。研究人員還在探索不同類型的表面（如碳氮化硅）來(lái)形成更多化學(xué)鍵，以提高晶圓之間的連接牢固性。同時(shí)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(shí)間，提高電導(dǎo)率和穩(wěn)定性等方面也在進(jìn)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(shù)研發(fā)背后的動(dòng)力

1. 滿足高算力需求

• 隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)芯片的運(yùn)算能力要求不斷提高。傳統(tǒng)的芯片制造和鍵合技術(shù)難以滿足高性能運(yùn)算時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速度和芯片集成度要求。例如，在深度學(xué)習(xí)算法中，需要芯片在短時(shí)間內(nèi)處理海量的數(shù)據(jù)，如果芯片的連接鍵合技術(shù)不能很好地支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，將會(huì)嚴(yán)重限制算法的執(zhí)行效率和性能。新型鍵合技術(shù)如混合鍵合等的研發(fā)，通過(guò)提高芯片的集成度（如3D芯片堆疊等）和數(shù)據(jù)傳輸密度，可以大大提升芯片的運(yùn)算能力，從而滿足高算力應(yīng)用的需求。

2. 實(shí)現(xiàn)小型化和多功能集成

• 現(xiàn)代電子設(shè)備朝著小型化方向發(fā)展，如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等。為了在更小的空間內(nèi)集成更多的功能（如通信、感知、計(jì)算等），芯片需要更加密集的集成和更高效的鍵合技術(shù)。例如在可穿戴設(shè)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(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些芯片的低功耗、高效率連接，并且在有限的空間內(nèi)保證芯片之間的連接可靠性，避免因?yàn)榭臻g狹小、相互干擾等因素影響設(shè)備性能。

3. 追求更低功耗和更高能效

• 在能源緊張和對(duì)環(huán)保要求提升的背景下，芯片的低功耗需求愈發(fā)重要。新型鍵合技術(shù)的研發(fā)可以通過(guò)優(yōu)化芯片之間的連接方式，降低信號(hào)傳輸?shù)膿p失，提高電能利用率。例如在一些物聯(lián)網(wǎng)低功耗傳感器芯片的封裝中，高效的鍵合技術(shù)可以減少不必要的電能消耗，使芯片工作時(shí)間更長(zhǎng)，減少電池更換頻率，從而提高整體設(shè)備的能效。

四、不同時(shí)期芯片制造鍵合技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比

（一）早期鍵合技術(shù)（以引線鍵合為代表）

1. 技術(shù)原理特點(diǎn)

• 引線鍵合通過(guò)加熱加壓或超聲波振動(dòng)等方式提供能量，破壞焊盤(pán)表面氧化層和污染層，讓金屬引線與焊點(diǎn)之間形成原子擴(kuò)散的致密層以實(shí)現(xiàn)連接。如熱壓法利用加熱和加壓、超聲波法利用超聲波振動(dòng)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(shí)現(xiàn)鍵合。

2. 材料與成本特點(diǎn)

• 引線鍵合可采用金、銀、銅、鋁等材料。金線早期使用較多，它導(dǎo)電性好、化學(xué)性穩(wěn)定、耐腐蝕，但價(jià)格高，容易出現(xiàn)塌絲、拖尾和老化現(xiàn)象；銅線成本低、機(jī)械強(qiáng)度高但容易氧化硫化且需要?dú)怏w保護(hù)、鍵合點(diǎn)易開(kāi)裂；鋁線經(jīng)濟(jì)性好但鍵合設(shè)備較貴。從成本角度看，初期引線鍵合的設(shè)備和工藝成本相對(duì)較低，但隨著對(duì)鍵合性能和效率要求的提升，新材料的應(yīng)用和工藝改進(jìn)使得成本結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，例如對(duì)金線的穩(wěn)定供應(yīng)和質(zhì)量控制會(huì)增加成本。

3. 應(yīng)用范圍與限制特點(diǎn)

• 引線鍵合被廣泛應(yīng)用于SIP、DIP、QFP等早期封裝技術(shù)，在傳統(tǒng)封裝中應(yīng)用較多。但它由于連線方式的限制，連接密度相對(duì)較低，信號(hào)傳輸路徑較長(zhǎng)，比如在一些對(duì)I/O引腳數(shù)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(jìn)行引線連接也限制了整體布局的緊湊性。

（二）中期鍵合技術(shù)（以倒裝鍵合為代表）

1. 技術(shù)原理特點(diǎn)

• 倒裝鍵合是通過(guò)在芯片頂部形成凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣和機(jī)械連接。直接利用凸點(diǎn)進(jìn)行電信號(hào)傳輸，與傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的高效電氣連接。

2. 材料與成本特點(diǎn)

• 倒裝鍵合的凸點(diǎn)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(shù)相對(duì)復(fù)雜一些，對(duì)設(shè)備和工藝要求更高，成本也相對(duì)較高。因?yàn)樗枰_形成凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)并且要保證凸點(diǎn)與基板的準(zhǔn)確對(duì)接，這涉及到更多的工序和更嚴(yán)格的工藝控制。

3. 應(yīng)用范圍與限制特點(diǎn)

• 倒裝鍵合在連接密度上顯著優(yōu)于引線鍵合，可以在整個(gè)芯片正面植球，大大提高了可進(jìn)行電氣連接的I/O引腳的數(shù)量，在需要高密度連接和高性能信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景中廣泛應(yīng)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(duì)成本比較敏感的大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域，成本相對(duì)較高的缺點(diǎn)限制了它的進(jìn)一步市場(chǎng)拓展，而且在小尺寸的芯片封裝中可能面臨凸點(diǎn)制造精度和可靠性的挑戰(zhàn)。

（三）現(xiàn)代鍵合技術(shù)（以混合鍵合為代表）

1. 技術(shù)原理特點(diǎn)

• 混合鍵合的過(guò)程涉及到多個(gè)復(fù)雜的步驟。例如在混合鍵合中，銅pad建立在每個(gè)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(jìn)絕緣層表面，然后將兩個(gè)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(shí)現(xiàn)電連接。它是一種能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的垂直連接密度的技術(shù)，并且通過(guò)精確控制工藝參數(shù)，可以使連接具有高性能和高可靠性。

2. 材料與成本特點(diǎn)

• 在材料方面主要利用銅等材料構(gòu)建連接結(jié)構(gòu)，并且對(duì)絕緣層材料等也有特殊要求。混合鍵合技術(shù)由于其復(fù)雜性和先進(jìn)性，成本較高，但隨著技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，成本有望逐漸下降。目前研究和生產(chǎn)過(guò)程中，需要高精度的設(shè)備和特殊的工藝條件，如化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）工藝來(lái)保證晶圓的平整度，這增加了設(shè)備成本和工藝要求成本。

3. 應(yīng)用范圍與限制特點(diǎn)

• 主要應(yīng)用于異構(gòu)集成、3D芯片制造等高端領(lǐng)域，如在高性能處理器和人工智能芯片的封裝中可以實(shí)現(xiàn)多層芯片的堆疊，滿足高集成度、高性能和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸需求。但混合鍵合技術(shù)對(duì)工藝環(huán)境和設(shè)備的要求極高，工藝的穩(wěn)定性控制較難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)容易出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng)等問(wèn)題，而且要實(shí)現(xiàn)小尺寸下的精確鍵合目前還面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如芯片表面平整度的控制、銅pad結(jié)構(gòu)和性能的精確控制等方面的挑戰(zhàn)。

五、未來(lái)芯片制造鍵合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

（一）向更高密度與更小尺寸發(fā)展

1. 提升連接密度的技術(shù)需求

• 隨著芯片朝著更高性能和多功能方向發(fā)展，對(duì)于鍵合技術(shù)的連接密度要求將不斷提高。例如在人工智能芯片領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的運(yùn)算能力并在更小的芯片面積上集成更多的計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元，需要鍵合技術(shù)像混合鍵合這樣能夠?qū)崿F(xiàn)更高的連接密度，達(dá)到每平方毫米更多的連接點(diǎn)。在3D芯片堆疊技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)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(shù)據(jù)傳輸需求，未來(lái)的鍵合技術(shù)將朝著每平方毫米硅片上連接點(diǎn)數(shù)量進(jìn)一步增多的方向發(fā)展。

2. 小尺寸下鍵合技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)

• 在小尺寸方面，當(dāng)芯片尺寸進(jìn)入納米級(jí)別甚至更小尺度時(shí)，鍵合技術(shù)面臨著巨大挑戰(zhàn)。比如在極紫外光（EUV）光刻技術(shù)支持下制造出的超小尺寸芯片，鍵合過(guò)程中芯片表面原子級(jí)別的平整度、粗糙度等對(duì)鍵合質(zhì)量影響極大。目前應(yīng)對(duì)這種情況的研究方向包括在先進(jìn)的工藝制程中提高芯片制造過(guò)程中的平坦化工藝精度，以及開(kāi)發(fā)新的鍵合技術(shù)或者改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)中的微觀工藝控制環(huán)節(jié)。例如，改進(jìn)混合鍵合技術(shù)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(jié)構(gòu)。

（二）滿足高性能與低功耗需求

1. 高速信號(hào)傳輸與高性能鍵合

• 在高性能要求的背景下，鍵合技術(shù)需要支持更高的信號(hào)傳輸速度和更低的信號(hào)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(hào)的傳輸在鍵合連接環(huán)節(jié)不能產(chǎn)生信號(hào)畸變和衰減。未來(lái)鍵合技術(shù)一方面可能通過(guò)改進(jìn)連接材料和連接界面的物理化學(xué)特性來(lái)提高電導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新，優(yōu)化信號(hào)傳輸路徑，如采用更短的連接距離或者特殊的連接結(jié)構(gòu)（像三維的網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)等，以減小信號(hào)傳輸?shù)穆窂介L(zhǎng)度），從而滿足高速信號(hào)傳輸和高性能計(jì)算的需求。

2. 低功耗的鍵合技術(shù)變革

• 在低碳環(huán)保和節(jié)能的大趨勢(shì)下，芯片鍵合技術(shù)也將朝著低功耗方向發(fā)展。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的低功耗芯片來(lái)說(shuō)，鍵合技術(shù)影響著芯片的整體功耗。未來(lái)可能通過(guò)優(yōu)化鍵合工藝，減少連接過(guò)程中的電能損耗，如降低鍵合過(guò)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(shí)改進(jìn)鍵合結(jié)構(gòu)以降低寄生電容效應(yīng)。此外，還可能通過(guò)智能控制算法，在芯片不同的工作模式下動(dòng)態(tài)調(diào)整鍵合結(jié)構(gòu)或者連接參數(shù)，以達(dá)到最低功耗的目的。

（三）實(shí)現(xiàn)多種材料和結(jié)構(gòu)的鍵合

1. 異構(gòu)集成下的多材料鍵合需求

• 異構(gòu)集成技術(shù)成為未來(lái)芯片制造的重要趨勢(shì)，即將不同尺寸和材料的多種組件或芯粒集成到單個(gè)器件或封裝中。這就要求鍵合技術(shù)能夠適應(yīng)多種不同的材料組合，如在將硅基芯片與化合物半導(dǎo)體芯片（如氮化鎵等）集成時(shí)，兩種不同屬性的材料需要一種高效兼容的鍵合技術(shù)。目前的鍵合技術(shù)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(shù)差異可能導(dǎo)致鍵合后的可靠性問(wèn)題。未來(lái)的發(fā)展方向可能是研發(fā)出一種對(duì)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(kāi)發(fā)特殊的化學(xué)物質(zhì)或者工藝處理方法來(lái)提高不匹配材料之間的鍵合效果。

2. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的新型鍵合方式探索

• 隨著芯片結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，如從平面結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)、從規(guī)則形狀到不規(guī)則形狀的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)有的鍵合技術(shù)面臨適應(yīng)性的挑戰(zhàn)。對(duì)于具有三維復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dú)特結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的基于平面鍵合的技術(shù)難以滿足需求。未來(lái)需要探索適應(yīng)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新型鍵合方式，可能不再局限于傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)或者面到面的鍵合形式，而是向全方位、多角度、自適應(yīng)的鍵合技術(shù)發(fā)展，例如可以根據(jù)芯片結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整連接方式和形狀的智能鍵合技術(shù)。

（四）鍵合技術(shù)自動(dòng)化與智能化趨勢(shì)

1. 自動(dòng)化生產(chǎn)提高鍵合精度與效率

• 在鍵合設(shè)備制造方面，自動(dòng)化程度將不斷提高。自動(dòng)化的鍵合設(shè)備可以更精確地控制鍵合過(guò)程中的各種參數(shù)，如壓力、溫度、位置等。像在大規(guī)模芯片制造工廠中，自動(dòng)化鍵合設(shè)備可以以更高的速度和精度完成芯片的鍵合任務(wù)，減少人為操作帶來(lái)的誤差。例如在貼片鍵合環(huán)節(jié)，自動(dòng)化設(shè)備通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)和精密的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，可以將芯片精確地放置并鍵合在指定位置，其精度可以達(dá)到微米甚至納米級(jí)別，相比傳統(tǒng)人工操作大大提高了鍵合精度和效率。

2. 智能化工藝優(yōu)化與質(zhì)量控制

• 智能化也是未來(lái)鍵合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以對(duì)鍵合過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從海量的鍵合工藝數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律和問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵合工藝的智能化優(yōu)化。例如，根據(jù)不同芯片的特性和鍵合要求，智能系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整鍵合設(shè)備的參數(shù)，并且可以提前預(yù)測(cè)鍵合過(guò)程中的故障和質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)行預(yù)警和干預(yù)。這有助于提高鍵合產(chǎn)品的質(zhì)量控制水平，降低不良品率，提高鍵合技術(shù)在芯片制造過(guò)程中的整體可靠性和穩(wěn)定性。

 芯片封裝清洗介紹

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長(zhǎng)期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

 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(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

 這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤(rùn)濕劑、樹(shù)脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來(lái)而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹(shù)脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開(kāi)路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。