芯片内互联键合与超声波压焊技术解析

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了芯片的内互联工艺，并具体介绍了超声波压焊工艺。  

内互联键合概述

装片工序完成后，芯片虽已稳固于载体（基板或框架）之上，但其表面预设的焊盘尚未与封装体构建电气连接，因而需通过内互联工艺实现导通。该工序核心在于以焊接方式桥接芯片焊盘与载体外引脚，其本质是形成金属键合的原子级连接，在英文中对应“Bonding”概念。需注意英文“Welding”作为焊接统称，实际涵盖内互联工艺，但二者在半导体封装语境下侧重有所差异。追溯焊接技术渊源，其可回溯至我国春秋战国时期冷兵器锻造，历经千年演进，如今已形成熔焊、压焊、钎焊三大技术体系（见下图）。

焊接方法分类

熔焊作为工业主流工艺，通过局部高温使母材金属熔化，视需求添加填充金属，最终实现原子级结合。此工艺凭借高生产率与优异接头力学性能广泛应用于机械制造领域，典型如汽车车架焊接。但高温作用易诱发焊件应力集中与显著变形，需配合应力消除工序弥补缺陷。 

钎焊采用熔点低于母材的钎料，将焊件与钎料加热至特定区间（高于钎料熔点且低于母材熔点），液态钎料借毛细作用浸润填充间隙，并与母材发生元素扩散实现连接。因其加热温度低、接头平整美观且变形微小，常用于电子元器件组装——前文所述焊料装片即属钎焊范畴。不过该工艺对装配间隙精度要求严苛（通常需控制在50-100μm），且接头强度逊于熔焊，限制了其在重载结构件的应用。 

压焊则以施加压力为核心要素，加热与否均可完成焊接。其通过压力使接触面塑性变形，伴随再结晶与原子扩散达成原子结合。超声波压焊作为半导体内互联主流技术，借助高频机械振荡（频率通常为20-120kHz）降低所需压力，使焊接区域局部升温至材料再结晶温度区间（约0.3-0.5Tm，Tm为母材熔点）。此过程与粉末冶金热压烧结机理相似，压力驱动塑性变形，超声波振动加速原子扩散，表面张力促进空隙闭合。即便冷压焊未外部加热，塑性变形产热亦能使真实接触区域达微焊接效果。 

现代超声波压焊技术展现出极高工艺效能：传统金丝球焊设备已实现每秒10-20根键合速度，最新精密系统更将定位精度推进至1μm量级，可满足先进封装中芯片与基板的高密度互联需求。该技术通过自动化控制平台，精准协同压力、超声功率、焊接时间等参数，在保障连接可靠性的同时，有效规避了传统焊接工艺常见的热损伤问题，成为半导体封装内互联环节的核心支撑技术。

超声波压焊原理

超声波压焊作为固相焊接技术的典型代表，其核心特征在于母材不发生熔化、无需填充焊料，仅依靠压力驱动实现原子级结合。该工艺在多领域展现独特价值：板材加工中用于电梯轿厢拼接、汽车零部件组装及轴类零件连接；而在半导体工业，其凭借清洁高效、易于自动化的特性，成为芯片内互联的核心工艺——行业共识中，半导体封装内互联技术的研究几乎等同于超声波焊接工艺的探索。 

焊接材料表面状态对超声波压焊质量起决定性作用。半导体封装前，常采用等离子体清洗技术，通过高能粒子轰击去除表面油污、氧化物及吸附杂质，为焊接创造洁净基底。尽管超声波焊接的微观机制尚未完全明晰，但基础认知已确立：具备未饱和电子结构的金属原子在洁净条件下接触，可形成稳固的冶金键合。 

实际工况中，金属表面存在复杂物理化学结构。即便经精密加工，表面仍残留约200个原子直径厚度的不规则层，该区域易吸附大气中的氧，形成金属氧化物晶体。同时，表面分子的未饱和键对水汽具有强吸附性，致使氧化物表面凝聚液体、气体及有机污染物，构成阻碍原子接触的“界面壁垒” 。

焊接过程通过“力-热耦合”机制突破该壁垒：超声换能器将电能转换为高频机械振动（20-120kHz），经劈刀传递至焊接界面形成交变剪应力；同时，垂直压力确保工件紧密贴合。双重作用下，金属间高频摩擦产生三重复合效应：其一，机械剪切力剥离表面氧化膜与污染物；其二，摩擦生热使接触区域升温至材料再结晶温度区间（约0.3-0.5Tm，Tm为母材熔点），诱发塑性变形；其三，塑性流动促使新鲜金属表面暴露并紧密嵌合，原子在扩散与再结晶作用下形成牢固冶金结合。 

作为半导体封装的核心环节，内互联技术深度融合材料科学、精密机械与工艺控制。其对焊接材料纯度（如金丝纯度需≥99.99%）、设备精度（键合定位精度达1μm）及工艺参数（压力、功率、时间协同调控）提出严苛要求。掌握超声波压焊技术，即把握了半导体封装从芯片互联到系统集成的关键工艺链路，直接影响器件电气性能、热可靠性及长期服役稳定性。