芯片封裝是半導體制造的關鍵環節，承擔著為芯片提供物理保護、電氣互連和散熱的功能，這其中的鍵合技術就是將裸芯片與外部材料連接起來的方法。鍵合可以通俗的理解為接合，對應的英語表達是Bonding，音譯為邦定。

目前主要有四種鍵合技術：傳統而可靠的引線鍵合（Wire Bonding）、性能優異的倒裝芯片（Flip Chip）、自動化程度高的載帶自動鍵合（TAB, Tape Automated Bonding），以及代表未來趨勢的混合鍵合（Hybrid Bonding）技術。本文將簡要介紹這四種鍵合技術的定義、工藝流程、優缺點和應用。

1 引線鍵合（Wire Bonding）

引線鍵合是應用最廣泛的鍵合技術，它利用熱、壓力或超聲波，通過細金屬引線將芯片的焊盤與基板（一般是引線框架或PCB）的焊盤連接起來。引線鍵合也稱為打線接合或絲焊。

▲引線鍵合示意圖

1.1工藝流程

引線鍵合主要包括準備、鍵合和檢測三個階段。準備工作就是將設備預熱到合適溫度，設置好各項工藝參數，同時裝入鍵合用的金屬絲（通常是金絲、銅絲或鋁絲）。

▲引線鍵合工藝流程圖

如上圖，引線鍵合工藝流程是：首先，通過電火花熔化金屬絲，在其末端形成金屬球，俗稱金球（也叫游離球）；然后，攜帶金屬絲的毛細管通過精確定位系統找到芯片焊盤的位置；隨后，使用超聲波或熱壓方式將金屬絲末端的金球壓接在焊盤上形成第一焊點；接著，毛細管抬升并按預設軌跡移動形成特定高度的線弧；再然后，在基板的焊盤上完成第二焊點的鍵合；最后，切斷金屬絲形成線尾并提升至指定高度，完成一個鍵合周期。

整個過程需要精確控制溫度、壓力、超聲波能量、鍵合時間和鍵合高度等關鍵工藝參數，最后還要通過鍵合強度測試、線弧形狀和鍵合點外觀檢查等方式確保鍵合質量和一致性。

1.2鍵合（焊接）方式

引線鍵合主要有球形鍵合（Ball Bonding）和楔形鍵合（Wedge Bonding）兩種方式，簡稱為球焊和楔焊。

▲球焊和楔焊對比圖

球形鍵合就是先在金屬絲末端通過電火花加熱形成金球，然后再將金球通過超聲波或熱壓方式焊接到焊盤上，形成球形接觸。這種鍵合方式速度快、方向靈活，主要適用于金線材料。

楔形鍵合不需要預先形成金球，而是直接將金屬線壓在焊盤上，通過超聲波能量和壓力使金屬線與焊盤結合。楔形鍵合的特點是焊點小，鍵合高度低，適用于鋁線鍵合，在某些特殊應用場合（如功率器件）具有獨特優勢，但鍵合速度通常比球形鍵合慢。

1.3鍵合機理

引線鍵合的鍵合機理主要有熱壓鍵合(TCB, Thermo-Compression Bonding)、超聲波鍵合(Ultrasonic Bonding)和熱超聲波鍵合(Thermo-sonic Bonding)三種方式。熱壓鍵合通過加熱和壓力使金屬線與焊盤產生連接，工藝簡單但溫度較高；超聲波鍵合利用超聲振動產生的摩擦熱和機械作用實現鍵合，可在室溫下進行且對材料選擇靈活；熱超聲波鍵合則同時使用溫度、壓力和超聲波能量，具有更好的工藝適應性和鍵合強度，是目前應用最廣泛的鍵合方式。

▲熱超聲波鍵合示意圖

1.4引線材料

常用的引線材料包括金絲（Au）、鋁絲（Al）和銅絲（Cu）。金絲因具有良好的導電性、抗氧化性和易變形特性，是最傳統和可靠的鍵合材料，但成本較高。鋁絲價格低廉、導電性好，主要用于楔形鍵合，但易受腐蝕和氧化影響。銅絲則兼具良好的導電性、導熱性和成本優勢，正逐漸替代金絲，但銅容易氧化、硬度高，對設備和工藝要求更高。此外，還有鍍金銅絲等新型材料不斷發展，以滿足不同應用需求。

1.5優缺點分析

引線鍵合技術憑借其卓越的工藝成熟度和可靠性，在封裝領域占據主導地位。其優勢包括低成本、工藝靈活以及設備維護簡便，適合規模化生產。然而，這項技術也面臨一些挑戰：芯片周邊的引線布置占用大量封裝空間，較長引線會降低電氣性能（尤其在高頻應用中），同時引線間距的要求也制約了互連密度的進一步提升。

2 倒裝芯片（Flip Chip）

倒裝芯片（Flip Chip）技術是一種將芯片正面朝下、通過凸點（bump）直接與基板連接的封裝方式。不同于引線鍵合的周邊布線，倒裝芯片采用區域陣列式分布的連接方式，大大提高了互連密度，縮短了信號傳輸路徑。倒裝芯片技術也被稱為倒裝鍵合或覆晶接合。

▲倒裝芯片封裝示意圖

2.1工藝流程

倒裝芯片的制作過程可以簡單分為凸點制備、芯片組裝和底部填充三個步驟。

▲倒裝芯片工藝流程示意圖

首先是在芯片上制作凸點，這一步需要先在芯片的金屬接觸區域鍍上一層特殊的金屬層（UBM，Under Bump Metallization），這層金屬能讓后續的焊接更容易，同時防止不同金屬層之間相互滲透。接著在UBM上形成小球狀的凸點，可以用電鍍或其他方法制作，材料一般選用錫鉛焊料、金或銅。

接下來是芯片安裝，將芯片翻轉過來，使凸點正對基板上的連接點，然后通過加熱使凸點熔化并與基板牢固連接。最后一步是在芯片和基板之間的空隙中注入一種特殊的膠水（底填膠），這種膠水會自動填滿所有空隙，固化后能夠保護凸點連接，使整個結構更加穩定可靠。

2.2優缺點分析

▲引線鍵合與倒裝芯片對比圖

倒裝芯片采用凸點直接連接的方式，顯著提升了封裝性能。通過去除傳統引線鍵合的金屬導線，大大縮短了電氣連接距離，減小了信號傳輸延遲和寄生效應；同時，區域陣列式的I/O布局實現了更高的互連密度和更小的封裝尺寸。此外，芯片背面直接暴露有利于散熱，配合底部填充膠的保護作用，提供了優異的封裝可靠性。

然而，倒裝芯片技術也存在一些局限性：其工藝要求高，芯片翻轉對位需要精密設備和嚴格控制；芯片與基板直接相連易產生熱應力問題；底填膠工藝相對復雜且封裝后難以返修；同時，相比傳統封裝，其制造成本較高，且對芯片和基板都需要特殊的設計要求。這些因素在一定程度上限制了倒裝芯片技術的應用范圍。

3 載帶自動鍵合（TAB, Tape Automated Bonding）

載帶自動鍵合（TAB）是一種將芯片組裝到柔性載帶上的芯片封裝鍵合技術。載帶既作為芯片的支撐體，又作為芯片與外圍電路連接的引線。TAB技術也稱為載帶自動焊、卷帶式自動接合。

▲ TAB封裝示意圖與實物圖

3.1工藝流程

TAB技術的工藝流程主要包括載帶制作、芯片鍵合和封裝保護三個階段。

▲ TAB工藝流程

首先是載帶的制作，通過將銅箔貼合在聚酰亞胺膠帶上，經過光刻和蝕刻形成精細的導電圖形，并制作定位孔和引線窗口；然后進入內引線鍵合（ILB，Inner Lead Bonding）階段，將預先形成焊點的芯片精確定位后，采用熱壓或熱超聲方式同時將所有內引線與芯片焊盤連接；接著進行外引線鍵合（OLB，Outer Lead Bonding），將TAB件與基板或PCB對準，通常采用熱壓方式實現批量鍵合；最后在芯片區域進行點膠或模塑保護，固化形成保護層以提升可靠性。

▲ TCP/COF封裝

如上圖，在TAB技術中，如果不做外引線鍵合，只進行芯片與載帶之間的內引線連接，這種應用被稱為TCP（Tape Carrier Package）或COF（Chip On Film）技術，常用于顯示面板驅動芯片的封裝。

▲引線鍵合與TAB工藝對比

從上圖可以看出引線鍵合與TAB的結構類似，區別在于引線鍵合中芯片的載體是引線框架或者PCB基板，TAB用的是柔性載帶；引線鍵合使用金屬線連接，TAB使用銅箔；在芯片端引線鍵合是將金屬線直接焊接到芯片焊盤上，TAB是先做焊點再連接銅箔；引線鍵合是使用單根金屬絲逐一連接，而TAB使用預制載帶一次性連接。

3.2優缺點分析

TAB技術優點在于適合高密度、細間距的封裝要求，可實現批量自動化生產，具有優異的電氣性能（導體短、電感小）和散熱性能，特別適合LCD驅動器等高密度引線連接場合。

TAB技術的主要缺點是前期投資大（需要定制化光刻掩模和專用設備）、工藝要求高（對準精度要求嚴格）、受材料熱膨脹系數失配影響較大導致可靠性風險、且維修困難，同時由于定制化程度高導致靈活性較差，因此主要應用在大批量生產的特定產品上。

4 混合鍵合（Hybrid Bonding）

混合鍵合是一種新型的三維集成封裝技術，通過同時實現金屬鍵合（Cu-Cu）和介質鍵合（氧化物-氧化物），在晶圓或芯片級別直接進行物理和電氣連接。通俗來說就是可以將兩片晶圓（Wafer）直接連接起來，也可以把晶粒（Die）直接封裝到晶圓上。這種技術不需要傳統的凸點或通孔結構，可實現更高密度的互連，是未來先進封裝的重要發展方向。

▲混合鍵合芯片示意圖

4.1工藝流程

混合鍵合的工藝步驟主要包括表面處理和鍵合兩個階段。首先通過化學機械拋光（CMP）實現晶圓或晶粒表面的超平坦化，進行表面活化處理以提高鍵合質量；隨后在室溫下進行精確對準和預鍵合，最后通過退火強化鍵合強度。整個過程需要嚴格控制表面平整度、清潔度，并保證納米級的對準精度。

▲普通焊接工藝與混合鍵合工藝對比

4.2優缺點分析

混合鍵合技術可以實現超細互連間距（<1μm）的連接，互連密度極高；無需傳統的銅柱或錫球等bump結構，減少了工藝步驟和材料成本；具有更好的電氣性能，寄生電容小、傳輸損耗低；鍵合界面平整度好，可實現更薄的晶圓堆疊，有利于3D集成；同時具有良好的散熱性能和機械強度，特別適合高性能計算和存儲器等應用場景。

不過，該技術對表面清潔度和平整度要求極高，需要精密的CMP工藝和嚴格的表面處理；對制程環境的潔凈度和溫濕度控制要求嚴格；鍵合過程中的對準精度要求高，設備投資成本大；工藝窗口較窄，良率控制難度大；對wafer翹曲要求嚴格，并且返工難度大；此外，由于是新興技術，產業鏈配套還不夠完善，工藝標準化程度需要進一步提高，可靠性數據積累還需時間驗證。

5 總結

在半導體封裝領域，鍵合技術經歷了從引線鍵合、TAB到倒裝芯片再到混合鍵合的演進過程。下表對四種鍵合方式的特點、優缺點及應用情況做了詳細對比：

▲四種鍵合方式對比

總的來說：

引線鍵合是最傳統和應用最廣泛的技術，通過金屬絲逐點連接實現芯片與基板的互連，工藝成熟可靠但效率較低。

倒裝芯片技術通過凸點陣列實現芯片與基板的連接，具有更高的I/O密度和更好的電氣性能，已成為高性能封裝的主流。

載帶自動鍵合技術采用載帶預制導線，可實現批量自動化生產，主要應用于LCD驅動器等特定領域。

混合鍵合則是最新發展的技術，通過金屬和介質的直接鍵合實現超細間距互連，無需傳統的凸點結構，在3D IC封裝領域具有重要應用前景。

這些技術各有特點和適用場景，共同推動著封裝技術的發展。