引線鍵合替代技術(shù)有哪些

來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

引線鍵合技術(shù)的發(fā)展瓶頸

電氣性能制約隨著片外數(shù)據(jù)傳輸速率持續(xù)提升及鍵合節(jié)距不斷縮小，引線鍵合技術(shù)暴露出電感與串?dāng)_兩大核心問(wèn)題。高頻信號(hào)傳輸時(shí)，引線電感產(chǎn)生的感抗會(huì)阻礙信號(hào)快速通過(guò)，而相鄰引線間的串?dāng)_則造成信號(hào)干擾，這些問(wèn)題嚴(yán)重限制了其在高速電子系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

高密度互連局限現(xiàn)代硅芯片集成度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，對(duì)互連密度提出更高要求。傳統(tǒng)引線鍵合因物理結(jié)構(gòu)限制，難以在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度布線，無(wú)法滿足部分高端芯片對(duì)引腳數(shù)量與間距的嚴(yán)苛需求，成為芯片性能提升的關(guān)鍵瓶頸。例如，在高性能計(jì)算領(lǐng)域，隨著數(shù)據(jù)處理量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，芯片需要集成更多的功能單元，這就要求更多的引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸與電源供應(yīng)。然而，傳統(tǒng)引線鍵合技術(shù)在引腳數(shù)量擴(kuò)展和間距縮小方面面臨著物理極限，無(wú)法滿足高端芯片日益增長(zhǎng)的需求，嚴(yán)重制約了芯片性能的進(jìn)一步提升。

功率承載能力不足當(dāng)前芯片發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn) “高功率、低電壓、小節(jié)距” 特征：工作電壓已降至 1V 甚至更低，而功率消耗卻持續(xù)攀升。有預(yù)測(cè)顯示，單顆高性能芯片未來(lái)電流需求將超 100A。若采用傳統(tǒng) 25μm 線徑的引線鍵合，需數(shù)百根引線并行分擔(dān)電流，這對(duì)鍵合工藝精度、可靠性及空間布局均構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。

焊盤與陣列互連困境I/O 焊盤節(jié)距的不斷縮短與外圍焊盤數(shù)量激增，使得單排外圍鍵合模式逼近技術(shù)極限。根據(jù) ITRSP預(yù)測(cè)，在確保高鍵合良率與載流能力的前提下，單排鍵合最小節(jié)距約為 20-25μm。盡管現(xiàn)代自動(dòng)鍵合機(jī)可實(shí)現(xiàn)深度超 4μm 的多排面陣列鍵合，但由此引入的串?dāng)_問(wèn)題嚴(yán)重影響信號(hào)完整性，制約整體性能表現(xiàn)。長(zhǎng)期來(lái)看，突破 I/O 互連限制需轉(zhuǎn)向倒裝芯片（如 C4、微焊球、導(dǎo)電聚合物等）或新型技術(shù)。

倒裝芯片

1.焊球倒裝

技術(shù)起源與定義焊球倒裝技術(shù)（又稱 C4，可控塌陷芯片連接；或 FC，倒裝芯片）是目前替代引線鍵合的主流先進(jìn)互連方案，由 IBM 于 20 世紀(jì) 60 年代中期首創(chuàng)。其核心原理是將芯片翻轉(zhuǎn)，通過(guò)焊料凸點(diǎn)與基板直接互連，顛覆傳統(tǒng)引線鍵合的 “垂直連接” 模式。

2.性能優(yōu)勢(shì)解析

電氣性能卓越：?jiǎn)蝹€(gè)互連引線電感低至 0.05-0.1nH，相較 25μm 線徑引線的 1nH/m 電感值大幅降低，顯著提升高頻信號(hào)傳輸能力，同時(shí)有效抑制串?dāng)_與同步開關(guān)噪聲。

封裝密度領(lǐng)先：在密封陶瓷基板封裝中，Si 芯片可實(shí)現(xiàn) 125μm（5mil）高度的緊密堆疊；采用環(huán)氧樹脂底部填充的層壓基板（如 PCB）時(shí)，芯片間隔約 0.5mm（20mil），為高密度集成提供可能。

散熱與成本考量：焊料凸點(diǎn)可傳導(dǎo)部分熱量至封裝體，但高運(yùn)算速率器件產(chǎn)生的大量熱量仍需從裸芯片背面（面朝上）導(dǎo)出。硅脂或聚合物散熱方案雖成本較低，但需定制導(dǎo)熱片 / 棒及昂貴封裝體，且 I/O 焊盤需圍繞植球芯片設(shè)計(jì)，導(dǎo)致前期投入高、量產(chǎn)成本難控。近年倒裝芯片在 PCB 基板的應(yīng)用中，通過(guò)底部填充聚合物緩解熱膨脹系數(shù)（CTE）失配問(wèn)題，降低封裝成本，但散熱能力有所折損。

工藝創(chuàng)新與優(yōu)化：為進(jìn)一步降本增效，業(yè)界探索新工藝：在現(xiàn)有 Al 焊盤周邊采用熱超聲球形鍵合技術(shù)（省去引線）直接形成凸點(diǎn)，并結(jié)合導(dǎo)熱聚合物或微球材料，簡(jiǎn)化流程的同時(shí)提升散熱性能。

應(yīng)用演進(jìn)與趨勢(shì) ：早期倒裝芯片推廣受阻，因需重新設(shè)計(jì)面陣列 I/O 焊盤，且傳統(tǒng)封裝難以適配。雖有程序可將外圍焊盤轉(zhuǎn)為面陣列格式，但此類過(guò)渡設(shè)計(jì)存在熱傳導(dǎo)效率低、串?dāng)_大等問(wèn)題。隨著移動(dòng)電話等便攜式終端對(duì) “小體積、高頻性能、高集成度” 的需求爆發(fā)，越來(lái)越多芯片直接采用原生面陣列倒裝設(shè)計(jì)。當(dāng)前該技術(shù)增速遠(yuǎn)超引線鍵合，長(zhǎng)期來(lái)看有望成為多領(lǐng)域互連首選方案。

球凸點(diǎn) / 柱凸點(diǎn)倒裝技術(shù)

技術(shù)應(yīng)用規(guī)模與優(yōu)勢(shì)：近年來(lái)，球凸點(diǎn) / 柱凸點(diǎn)倒裝技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。每年全球數(shù)十億個(gè)聲表面波（SAW）濾波器及數(shù)億個(gè)集成電路（IC）都采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)互連。其核心競(jìng)爭(zhēng)力在于工藝兼容性 —— 借助球形鍵合機(jī)，能夠?qū)⒔穑ˋu）或銅（Cu）材質(zhì)的倒裝凸點(diǎn)，直接鍵合到按常規(guī)引線鍵合設(shè)計(jì)的現(xiàn)有晶圓或芯片上。這意味著無(wú)需對(duì)原有芯片布局進(jìn)行大模修改，大幅降低了從傳統(tǒng)引線鍵合向倒裝工藝轉(zhuǎn)型的成本與技術(shù)門檻。

設(shè)備與工藝配套發(fā)展：市場(chǎng)需求的激增促使自動(dòng)鍵合設(shè)備制造商紛紛推出專用的球凸點(diǎn)鍵合機(jī)。此類設(shè)備具備強(qiáng)大的批量處理能力，可在整片晶圓上快速完成數(shù)萬(wàn)個(gè)凸點(diǎn)的鍵合作業(yè)。完成凸點(diǎn)鍵合的晶圓經(jīng)切割后，即可進(jìn)入芯片倒裝環(huán)節(jié)，通常會(huì)采用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂或其他鍵合方法實(shí)現(xiàn)芯片與基板的連接。

載帶自動(dòng)鍵合（TAB）技術(shù)

1.技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

TAB 技術(shù)誕生于 20 世紀(jì) 60 年代，其核心組件為矩形（帶狀、鍍錫處理）的銅梁引線，這些引線通過(guò)聚酰亞胺等薄聚合物載帶固定。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，載帶寬度通常為 35mm。在實(shí)際工藝?yán)?，銅梁引線會(huì)通過(guò)焊接（合金化）的方式，與芯片外圍預(yù)先植有金（Au）凸點(diǎn)的焊盤相連。不過(guò)需注意，無(wú)論是 TAB 還是引線鍵合技術(shù)，均難以適配倒裝芯片的面陣列鍵合需求。下圖為典型的TAB封裝結(jié)構(gòu)

2.多樣化鍵合方式

凸點(diǎn)鍵合：可利用熱超聲工藝，將 TAB 引線與預(yù)植的球形或柱狀凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可靠連接；

無(wú)凸點(diǎn)鍵合：經(jīng)改裝的自動(dòng)引線鍵合機(jī)，能直接將 TAB 引線鍵合到普通焊盤上（即無(wú)凸點(diǎn) TAB 工藝）

激光焊接： 借助激光能量，可精準(zhǔn)地將 TAB 引線焊接到凸點(diǎn)表面，進(jìn)一步提升鍵合精度。

3.性能與成本特性

性能優(yōu)勢(shì)：矩形引線在高頻環(huán)境下的阻抗低于傳統(tǒng)圓引線；在早期（截至約1990 年），其可實(shí)現(xiàn)的鍵合節(jié)距比楔形、球形鍵合更小；雙層金屬結(jié)構(gòu)的 TAB，相比引線鍵合，能進(jìn)一步降低電感與串?dāng)_。

成本局限：TAB 載帶材料本身價(jià)格高昂，且定制掩模成本不菲。芯片或封裝焊盤位置哪怕出現(xiàn)微小變動(dòng)，都需更換新的載帶與掩模。此外，TAB 技術(shù)的間距通常較大，難以實(shí)現(xiàn)芯片疊放，散熱多依賴裸芯片背面（倒裝 - TAB 因引線短、電感低稍作例外，但仍需從芯片背面散熱，不同于倒裝芯片通過(guò)焊料凸點(diǎn)散熱）。在大功率應(yīng)用場(chǎng)景下，還需搭配昂貴的封裝體。圖示為較老的TAB載帶（12mm和35mm）和焊接到基板上的TAB芯片照片。

4.應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)

在過(guò)去，TAB 技術(shù)在交付昂貴的系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）或其他多芯片封裝前，具備可測(cè)試性與芯片老練的顯著優(yōu)勢(shì)。但隨著已知良品裸芯片（KGD）及預(yù)測(cè)試芯片尺寸封裝的廣泛應(yīng)用，這一優(yōu)勢(shì)正逐漸減弱。由于載帶定制成本高且缺乏靈活性，TAB 已不再適用于主流芯片封裝。不過(guò)，作為一項(xiàng)仍具經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)，TAB 仍在特定領(lǐng)域（如對(duì)成本敏感度低、對(duì)高頻性能要求嚴(yán)苛的特殊芯片）持續(xù)尋找應(yīng)用空間。