文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了芯片的內互聯工藝，并具體介紹了超聲波壓焊工藝。

內互聯鍵合概述

裝片工序完成后，芯片雖已穩固于載體（基板或框架）之上，但其表面預設的焊盤尚未與封裝體構建電氣連接，因而需通過內互聯工藝實現導通。該工序核心在于以焊接方式橋接芯片焊盤與載體外引腳，其本質是形成金屬鍵合的原子級連接，在英文中對應“Bonding”概念。需注意英文“Welding”作為焊接統稱，實際涵蓋內互聯工藝，但二者在半導體封裝語境下側重有所差異。追溯焊接技術淵源，其可回溯至我國春秋戰國時期冷兵器鍛造，歷經千年演進，如今已形成熔焊、壓焊、釬焊三大技術體系（見下圖）。

焊接方法分類

熔焊作為工業主流工藝，通過局部高溫使母材金屬熔化，視需求添加填充金屬，最終實現原子級結合。此工藝憑借高生產率與優異接頭力學性能廣泛應用于機械制造領域，典型如汽車車架焊接。但高溫作用易誘發焊件應力集中與顯著變形，需配合應力消除工序彌補缺陷。

釬焊采用熔點低于母材的釬料，將焊件與釬料加熱至特定區間（高于釬料熔點且低于母材熔點），液態釬料借毛細作用浸潤填充間隙，并與母材發生元素擴散實現連接。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。不過該工藝對裝配間隙精度要求嚴苛（通常需控制在50-100μm），且接頭強度遜于熔焊，限制了其在重載結構件的應用。

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，伴隨再結晶與原子擴散達成原子結合。超聲波壓焊作為半導體內互聯主流技術，借助高頻機械振蕩（頻率通常為20-120kHz）降低所需壓力，使焊接區域局部升溫至材料再結晶溫度區間（約0.3-0.5Tm，Tm為母材熔點）。此過程與粉末冶金熱壓燒結機理相似，壓力驅動塑性變形，超聲波振動加速原子擴散，表面張力促進空隙閉合。即便冷壓焊未外部加熱，塑性變形產熱亦能使真實接觸區域達微焊接效果。

現代超聲波壓焊技術展現出極高工藝效能：傳統金絲球焊設備已實現每秒10-20根鍵合速度，最新精密系統更將定位精度推進至1μm量級，可滿足先進封裝中芯片與基板的高密度互聯需求。該技術通過自動化控制平臺，精準協同壓力、超聲功率、焊接時間等參數，在保障連接可靠性的同時，有效規避了傳統焊接工藝常見的熱損傷問題，成為半導體封裝內互聯環節的核心支撐技術。

超聲波壓焊原理

超聲波壓焊作為固相焊接技術的典型代表，其核心特征在于母材不發生熔化、無需填充焊料，僅依靠壓力驅動實現原子級結合。該工藝在多領域展現獨特價值：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；而在半導體工業，其憑借清潔高效、易于自動化的特性，成為芯片內互聯的核心工藝——行業共識中，半導體封裝內互聯技術的研究幾乎等同于超聲波焊接工藝的探索。

焊接材料表面狀態對超聲波壓焊質量起決定性作用。半導體封裝前，常采用等離子體清洗技術，通過高能粒子轟擊去除表面油污、氧化物及吸附雜質，為焊接創造潔凈基底。盡管超聲波焊接的微觀機制尚未完全明晰，但基礎認知已確立：具備未飽和電子結構的金屬原子在潔凈條件下接觸，可形成穩固的冶金鍵合。

實際工況中，金屬表面存在復雜物理化學結構。即便經精密加工，表面仍殘留約200個原子直徑厚度的不規則層，該區域易吸附大氣中的氧，形成金屬氧化物晶體。同時，表面分子的未飽和鍵對水汽具有強吸附性，致使氧化物表面凝聚液體、氣體及有機污染物，構成阻礙原子接觸的“界面壁壘”。

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

作為半導體封裝的核心環節，內互聯技術深度融合材料科學、精密機械與工藝控制。其對焊接材料純度（如金絲純度需≥99.99%）、設備精度（鍵合定位精度達1μm）及工藝參數（壓力、功率、時間協同調控）提出嚴苛要求。掌握超聲波壓焊技術，即把握了半導體封裝從芯片互聯到系統集成的關鍵工藝鏈路，直接影響器件電氣性能、熱可靠性及長期服役穩定性。