摩尔定律逼近极限！键合互连技术如何定义后制程时代的互连范式？

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导读

键合互连技术是半导体技术领域中器件封装的关键技术，其目的是建立电子器件的电气连接。键合互连技术发展水平直接决定了器件及其封装的质量、性能、可靠性、体积、封装密度等重要指标。近年来，随着电子元器件/组件不断向微型化、多芯片化、三维立体化、高密度化、系统化方向发展，市场对互连和封装工艺技术的要求也不断提高。

根据摩尔定律，半导体制程节点以0.7倍递减逼近物理极限，从1m、0.8m、0.5m、0.35m、0.25m、0.18m、0.13m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm，一直迭代到将要推出的5nm、3nm。为了满足高密度集成、封装要求，封装技术正逐渐从传统的引线键合、载带自动键合等向硅通孔、嵌入式封装、晶圆级封装、系统级封装等先进技术演进。芯片的尺寸继续缩小，引脚数量不断增加，集成度持续提升。相应的键合互连技术也朝着高分辨、更小线宽、高集成化方向发展。

键合互连技术

根据互连方法和工艺的不同，常见的键合互连技术可以分为引线键合、载带自动焊键合、倒装焊键合三种方式。

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引线键合

引线键合技术是键合互连领域的“元老级”存在。它通过加热、加压或超声等方式破坏焊盘表面的氧化层和污染，促使金属引线与焊盘界面发生塑性变形，进而原子扩散形成焊点，实现连接。根据键合能量的不同，它又分为热压键合法、超声波法和热超声波法三种。

（1）热压键合法需将芯片焊盘加热至约200℃，再利用毛细管劈刀施加压力，常用于金丝键合，键合后焊点一端球形、一端楔形。

（2）超声波法则在常温下借助超声波破碎氧化膜，通过摩擦热量实现金属扩散，工艺简单、成本低，但键合拉伸强度稍弱，多用于直径25～50µm的铝丝，键合点两端呈楔形。

（3）热超声波法集热压与超声波法优点于一身，键合温度低、压力小，无方向性，能实现复杂拱丝形状，是半导体工艺的常用之选。

引线键合的良品率受键合能量、金属材料、焊盘大小等诸多因素影响。金丝导电性好、强度高、化学性质稳定，耐腐蚀性强，适用于热压和热声焊；铝丝掺入少量Si或Mg可提高强度，用于高温封装或超声波法无法使用金丝的场合；铜丝虽价格低廉，但硬度高、易氧化，键合时需增大压力并通入保护气氛，不过因芯片金属布线多为铜制，其使用也愈发广泛。

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载带自动焊键合

载带自动焊技术是集成电路封装的“利器”。它先在芯片上形成凸点，再将芯片凸点与载带焊点通过引线压焊机自动键合，最后密封保护芯片。载带既是芯片的支撑体，又是连接引线，通常采用铜箔引线，载带图形键合区上的金属凸点多为电镀金的铜凸点，芯片上常用金凸点。

该技术分为内引线键合与外引线键合。内引线键合在300～400℃下完成，约需1秒；外引线键合则用电热框架式电烙铁，通过脉冲电压加热实现互连。

载带自动焊技术能同时完成芯片与多个焊点的键合，键合速度快、生产效率高，易于实现工业化规模生产，还能实现高密度I/O引脚，使器件封装更薄、引线更短、电极间距更小、外形尺寸更小，广泛应用于液晶显示器、计算机、手表、智能卡、照相机等产品的IC封装。

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倒装焊键合

倒装芯片键合是将芯片倒扣在封装基板上，通过芯片凸点与基板电极焊盘直接互连，省去模具安装或电线粘合步骤。它不仅能增加I/O密度、提升散热性，还能缩短键合长度，加快信号传输速度。

倒装焊接主要有热压倒装焊和回流倒装焊两种。

（1）热压倒装焊可针对多种凸点材料，如Au、Cu、Al、Pb-Sn、Ag-Sn等，芯片通过3～5 mil厚的焊料凸点连接基板，底部填充材料保护焊料凸点。不同凸点材料需匹配合适键合方法，例如金对金热压焊需高强度、高温条件，铟焊料则较软，几乎无需外力，但需暴露在助焊剂或特定工艺气体中。

（2）回流倒装焊针对锡铅焊料凸点，又称C4技术，工艺成熟，回流焊时焊球熔化有自对准作用，贴装精度要求低。

不过，倒装焊键合也存在一些挑战，如芯片键合结果测试难度大，需X射线检测设备查看不可见焊点；凸点芯片适应性有限，组装工艺要求高，维修困难，目前主要应用于高集成度领域。

键合互连技术的研究进展

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线型键合技术

随着集成电路技术的飞速发展，半导体引线线宽和间距不断减小，传统引线键合面临诸多困境，如键合强度降低、引线短路、信号传输慢甚至无法键合等问题。为实现高密度互连，研究人员借助各类先进技术对器件封装进行集成优化，超精细键合技术应运而生。

1、基于光刻和电镀的高精度连接

上海交通大学的李冬洋团队将光刻与电镀工艺巧妙结合，实现了芯片与衬底的高精度连接。

工艺流程：先在样品上涂抹光刻胶，通过光刻在光刻胶上开孔，这些孔即为所需的互连路径；随后进行电镀金属用于互连；最后去除光刻胶。

优势：采用此方法制备出的引线结构极为精细，线宽可缩短至10µm，引线长度能达50µm甚至更短，引线间距也能做到更小，线宽20µm的引线间距可精细到25µm，突破了传统引线键合技术间距至少为线宽1.5倍的限制，且引线结构结合力在0.1N以上，与传统引线键合技术的结合力水平相当。

劣势：工艺较为复杂，成本较高，目前仅适用于单层芯片键合互连，尚未大规模应用。

2、基于喷墨印刷的键合

喷墨印刷技术则通过具有蚀刻功能的喷嘴，将金属材料喷出绘制设定图案。喷嘴尖端孔径直径、材料颗粒大小、喷嘴与焊盘间距以及喷嘴运动速度等因素，共同决定了制成金属丝的宽度、厚度、电导率和稳定性。

该技术在金属沉积过程中使用的低能量不会改变应用材料的原子结构，操作简单、成本低，对于不需要高横向分辨率的应用来说是一种可靠、无损且廉价的选择。

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倒装互连技术

早期倒装互连技术以1D、2D为主，如今已迅速转向更先进的2.5D和3D封装方案，以实现更高密度I/O、系统和异构集成。2.5D/3D封装依赖于将集成电路芯片组装到中间层，中间层再安装到主电路板或其他更高组件上，中间层通常由硅、玻璃等特殊材料填充，保障相邻芯片间的密集互连。基于芯片间堆叠和直接互连的3D集成，能实现更短互连路径，提升器件性能并减小封装体积。

倒装互连技术的发展趋势

1、凸点制作

倒装互连凸点制作技术主要有热蒸发和电镀两种。

（1）热蒸发通过控制蒸发时间和材料量实现高度可控的凸起制作，早期用于铅或富铅焊料，现也被用于铟柱制作以实现InGaAs倒装互连，但成本低的同时，凸点回流易形变，产生焊接空洞，影响可靠性。

（2）电镀则具有高选择性和高效率，可扩展到更细间距、更大晶圆，焊料选择不受限。铜因良好导电导热性能、互连时形变量小等优势，常被用于电镀凸点制作。

2、加热工艺

传统倒装芯片互连的回流焊和热压焊等加热工艺，无法实现热能传递的选择和控制，易造成芯片翘曲。Yanggyoo Jung团队发现搭配匀光器的激光辅助键合系统，具有优异热选择性、极快上升速度和可控波长，可用于芯片和基板互连，实现选择性加热，还能控制键合高度、精度等。激光键合的芯片红外成像结果显示，键合处无虚焊、脱落现象，电气功能测试合格，且该方法键合效率高、能耗低、可操作性强，适合规模化应用。

3、凸点焊接

早期倒装焊多用含铅焊料，难以精确控制焊料用量。与之相比，金凸点原料用量可控、不易氧化、能抵抗环境腐蚀，但现有纯金互连技术键合时间长，不符合工业标准。Northrop Grumman公司探索提高金-金热压倒装焊生产能力，Samuel Massa团队通过实验确定合适热压键合参数，发现在压力100MPa下键合失效分析仅5%凸点失效，表明金-金热压倒装焊极具可行性，该公司将此研究成果应用于倒装焊工艺，提升了金热压倒装芯片键合产量。

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垂直互连技术

硅通孔（TSV）互连技术是目前唯一的垂直电互连技术，也是实现3D先进封装的关键。其制造工艺涵盖刻蚀、绝缘和金属化三部分。通常采用反应离子刻蚀得到高深宽比孔，孔内沉积二氧化硅作为绝缘层防止漏电和串扰，再沉积钛或钽阻挡层，最后利用电镀填充铜、钨等导电物质实现垂直电互连，从而实现晶圆堆叠和芯片堆叠。

直接Cu-Cu键合是垂直芯片互连中极具潜力的技术，但需较高键合温度和压力，可能引发可靠性问题。研究人员探索多种低温键合方式，取得显著进展。

1、热压低温键合

热压低温键合工艺原理与传统扩散焊相同，以Cu为焊料实现Cu-Cu低温键合。研究发现，Cu原子在(111)晶面上扩散速率远高于其他晶面，高度(111)晶向的Cu凸点可提高原子扩散速率，降低键合温度。利用晶粒定向生长，可在300℃、90MPa、10s条件下快速键合，但键合强度和导电性能欠佳。

为此，研究者开发电镀、机械抛光（CMP）和退火相结合的工艺提升键合强度。Suga团队提出表面活化键合方法，在超高真空（10-8 torr）下用等离子体轰击铜表面，去除氧化物等污染物，实现原子级清洁表面，室温、无压力下预键合，但预键合后界面仍明显，需250～300℃高温退火。该工艺对设备要求极高，因需在高真空下完成表面处理和键合。

2、低温杂化键合

低温杂化键合又称混合键合，键合过程为：室温下用O2、H2、N2、Ar等气体离子处理键合区域实现SiO2-to-SiO2预键合，再经150～300℃低温退火实现金属-金属连接（通常是Cu-to-Cu）。

自2015年起，该技术已用于晶圆对晶圆（W2W）键合的大规模生产，但对芯片-芯片、晶圆-芯片键合仍有挑战。

提高键合成品率的关键在于控制表面粗糙度和Cu凹槽制作。Guilian Gao团队通过特定CMP工艺在焊盘上形成均匀Cu凹槽（精度2.5nm），退火使Cu和氧化物膨胀，铜膨胀更多形成永久Cu-Cu键。若凹槽较大，可适当提高退火温度增强键合效果。该团队前期验证了焊盘直径15µm芯片的低温键合，后期优化工艺实现键合间距10～40µm、焊盘直径5～10µm芯片的键合，获得高键合良品率。

3、纳米材料低温烧结

清华大学邹贵生团队提出基于脉冲激光沉积（PLD）技术图形化制备Cu纳米颗粒用于Cu-Cu低温键合。通过PLD沉积Cu纳米颗粒，以光刻胶作掩膜，剥离后得到纳米颗粒构成的凸点阵列（直径60µm、间距120µm）。在250℃、9兆帕、10分钟、甲酸气氛键合条件下，凸点剪切强度达52.2MPa，键合前约10µm高的凸点被压缩至约4µm。

4、钝化低温键合

上述三种方法均需保护气氛防铜氧化，操作复杂。

研究人员提出在Cu表面制作Ti、Au、Ag等金属钝化层实现Cu-Cu互连。Hung团队采用化学镀Ni连接铜柱，实现70℃、无压连接。Weng团队通过电镀Au沉积在直径50µm、间隙小于5µm的Cu柱表面，50℃、无压条件下Au原子自组装完成铜柱互连。SEM表征显示键合处无空隙和接缝，剪切测试表明电镀Au键结合强度大于铜衬底粘合强度，化学Au键平均断裂强度38MPa，粘结强度高。该方法无需保护气体，降低工艺难度。

TSV技术通过垂直互连缩短芯片间互连长度，降低信号延迟和电容，实现低功耗、高速通讯，大幅提升芯片性能，是解决摩尔定律失效的重要技术。

总结

传统引线键合技术凭借工艺成熟、可靠性高、通用性强且成本低廉的优势，在精度要求不高的芯片键合领域仍将占据主流地位一段时间。光刻和电镀工艺虽能实现更好的横向分辨率，为高密度封装开辟新路径，但因工艺复杂、成本高昂且存在光刻胶应用与去除可能带来的样品污染和破坏问题，目前主要停留在学术研究阶段。喷墨打印作为一种经济实惠且易于使用的替代金属引线键合方法，同样处于学术研究范畴，暂不具备大规模应用条件。

倒装芯片互连技术和硅通孔互连技术则是先进电子封装的“双子星”，在追求高输入/输出（I/O）计数的领域大放异彩，是实现2.5D/3D高密度集成的关键技术。倒装芯片互连技术在凸点制作、焊接参数优化以及加热方法改进的推动下，键合工艺取得了显著提升。硅通孔互连技术借助热压键合、混合键合、钝化键合等低温键合技术攻克了Cu-Cu键合难题，其中钝化键合甚至能在50℃、无压条件下实现Cu-Cu互连。然而，这些低温键合技术对焊盘表面粗糙度、晶圆翘曲程度等有严格要求，混合键合技术对键合表面的洁净度要求较高，难以直接适用于2.5D/3D封装键合互连。因此，要实现Cu-Cu互连的广泛应用，低温键合技术仍需进一步发展和完善。

在选择键合互连方法时，需综合考虑产品特点、成本、操作性等多方面因素，以找到最适合的解决方案。键合互连技术作为半导体封装的核心，正不断在传统与创新之间探索前行，为电子器件的高性能、高可靠性、小型化发展提供坚实支撑。

awayfromaway

多谢分享~~~~~~~~~~~~~~~

天哥GG

律逼近极限！键合互连技术如何定义

xiyangqixi

半导体封装现在还在发展

936247741

虽然看不懂，多谢分享