文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了芯片的內(nèi)互聯(lián)工藝，并具體介紹了超聲波壓焊工藝。

內(nèi)互聯(lián)鍵合概述

裝片工序完成后，芯片雖已穩(wěn)固于載體（基板或框架）之上，但其表面預(yù)設(shè)的焊盤尚未與封裝體構(gòu)建電氣連接，因而需通過內(nèi)互聯(lián)工藝實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。該工序核心在于以焊接方式橋接芯片焊盤與載體外引腳，其本質(zhì)是形成金屬鍵合的原子級(jí)連接，在英文中對(duì)應(yīng)“Bonding”概念。需注意英文“Welding”作為焊接統(tǒng)稱，實(shí)際涵蓋內(nèi)互聯(lián)工藝，但二者在半導(dǎo)體封裝語境下側(cè)重有所差異。追溯焊接技術(shù)淵源，其可回溯至我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期冷兵器鍛造，歷經(jīng)千年演進(jìn)，如今已形成熔焊、壓焊、釬焊三大技術(shù)體系（見下圖）。

焊接方法分類

熔焊作為工業(yè)主流工藝，通過局部高溫使母材金屬熔化，視需求添加填充金屬，最終實(shí)現(xiàn)原子級(jí)結(jié)合。此工藝憑借高生產(chǎn)率與優(yōu)異接頭力學(xué)性能廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域，典型如汽車車架焊接。但高溫作用易誘發(fā)焊件應(yīng)力集中與顯著變形，需配合應(yīng)力消除工序彌補(bǔ)缺陷。

釬焊采用熔點(diǎn)低于母材的釬料，將焊件與釬料加熱至特定區(qū)間（高于釬料熔點(diǎn)且低于母材熔點(diǎn)），液態(tài)釬料借毛細(xì)作用浸潤(rùn)填充間隙，并與母材發(fā)生元素?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接。因其加熱溫度低、接頭平整美觀且變形微小，常用于電子元器件組裝——前文所述焊料裝片即屬釬焊范疇。不過該工藝對(duì)裝配間隙精度要求嚴(yán)苛（通常需控制在50-100μm），且接頭強(qiáng)度遜于熔焊，限制了其在重載結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。

壓焊則以施加壓力為核心要素，加熱與否均可完成焊接。其通過壓力使接觸面塑性變形，伴隨再結(jié)晶與原子擴(kuò)散達(dá)成原子結(jié)合。超聲波壓焊作為半導(dǎo)體內(nèi)互聯(lián)主流技術(shù)，借助高頻機(jī)械振蕩（頻率通常為20-120kHz）降低所需壓力，使焊接區(qū)域局部升溫至材料再結(jié)晶溫度區(qū)間（約0.3-0.5Tm，Tm為母材熔點(diǎn)）。此過程與粉末冶金熱壓燒結(jié)機(jī)理相似，壓力驅(qū)動(dòng)塑性變形，超聲波振動(dòng)加速原子擴(kuò)散，表面張力促進(jìn)空隙閉合。即便冷壓焊未外部加熱，塑性變形產(chǎn)熱亦能使真實(shí)接觸區(qū)域達(dá)微焊接效果。

現(xiàn)代超聲波壓焊技術(shù)展現(xiàn)出極高工藝效能：傳統(tǒng)金絲球焊設(shè)備已實(shí)現(xiàn)每秒10-20根鍵合速度，最新精密系統(tǒng)更將定位精度推進(jìn)至1μm量級(jí)，可滿足先進(jìn)封裝中芯片與基板的高密度互聯(lián)需求。該技術(shù)通過自動(dòng)化控制平臺(tái)，精準(zhǔn)協(xié)同壓力、超聲功率、焊接時(shí)間等參數(shù)，在保障連接可靠性的同時(shí)，有效規(guī)避了傳統(tǒng)焊接工藝常見的熱損傷問題，成為半導(dǎo)體封裝內(nèi)互聯(lián)環(huán)節(jié)的核心支撐技術(shù)。

超聲波壓焊原理

超聲波壓焊作為固相焊接技術(shù)的典型代表，其核心特征在于母材不發(fā)生熔化、無需填充焊料，僅依靠壓力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原子級(jí)結(jié)合。該工藝在多領(lǐng)域展現(xiàn)獨(dú)特價(jià)值：板材加工中用于電梯轎廂拼接、汽車零部件組裝及軸類零件連接；而在半導(dǎo)體工業(yè)，其憑借清潔高效、易于自動(dòng)化的特性，成為芯片內(nèi)互聯(lián)的核心工藝——行業(yè)共識(shí)中，半導(dǎo)體封裝內(nèi)互聯(lián)技術(shù)的研究幾乎等同于超聲波焊接工藝的探索。

焊接材料表面狀態(tài)對(duì)超聲波壓焊質(zhì)量起決定性作用。半導(dǎo)體封裝前，常采用等離子體清洗技術(shù)，通過高能粒子轟擊去除表面油污、氧化物及吸附雜質(zhì)，為焊接創(chuàng)造潔凈基底。盡管超聲波焊接的微觀機(jī)制尚未完全明晰，但基礎(chǔ)認(rèn)知已確立：具備未飽和電子結(jié)構(gòu)的金屬原子在潔凈條件下接觸，可形成穩(wěn)固的冶金鍵合。

實(shí)際工況中，金屬表面存在復(fù)雜物理化學(xué)結(jié)構(gòu)。即便經(jīng)精密加工，表面仍殘留約200個(gè)原子直徑厚度的不規(guī)則層，該區(qū)域易吸附大氣中的氧，形成金屬氧化物晶體。同時(shí)，表面分子的未飽和鍵對(duì)水汽具有強(qiáng)吸附性，致使氧化物表面凝聚液體、氣體及有機(jī)污染物，構(gòu)成阻礙原子接觸的“界面壁壘”。

焊接過程通過“力-熱耦合”機(jī)制突破該壁壘：超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)（20-120kHz），經(jīng)劈刀傳遞至焊接界面形成交變剪應(yīng)力；同時(shí)，垂直壓力確保工件緊密貼合。雙重作用下，金屬間高頻摩擦產(chǎn)生三重復(fù)合效應(yīng)：其一，機(jī)械剪切力剝離表面氧化膜與污染物；其二，摩擦生熱使接觸區(qū)域升溫至材料再結(jié)晶溫度區(qū)間（約0.3-0.5Tm，Tm為母材熔點(diǎn)），誘發(fā)塑性變形；其三，塑性流動(dòng)促使新鮮金屬表面暴露并緊密嵌合，原子在擴(kuò)散與再結(jié)晶作用下形成牢固冶金結(jié)合。

作為半導(dǎo)體封裝的核心環(huán)節(jié)，內(nèi)互聯(lián)技術(shù)深度融合材料科學(xué)、精密機(jī)械與工藝控制。其對(duì)焊接材料純度（如金絲純度需≥99.99%）、設(shè)備精度（鍵合定位精度達(dá)1μm）及工藝參數(shù)（壓力、功率、時(shí)間協(xié)同調(diào)控）提出嚴(yán)苛要求。掌握超聲波壓焊技術(shù)，即把握了半導(dǎo)體封裝從芯片互聯(lián)到系統(tǒng)集成的關(guān)鍵工藝鏈路，直接影響器件電氣性能、熱可靠性及長(zhǎng)期服役穩(wěn)定性。