文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

從傳統(tǒng)到陣列，從ILB到OLB，載帶焊如何在高密度互連的浪潮中突破性能與成本的“雙刃”挑戰(zhàn)，引領(lǐng)芯片封裝技術(shù)的未來？本文為您深度解析。

載帶芯片制造工藝及裝連技術(shù)作為半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵分支，其核心在于通過載帶焊實(shí)現(xiàn)芯片與基板的高密度電氣互連。

傳統(tǒng)式載帶焊通過芯片背面固定于基板，利用載帶導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)芯片I/O焊區(qū)與基板的電氣連接，其優(yōu)勢(shì)在于工藝成熟、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異，適用于大尺寸芯片及高功率應(yīng)用場(chǎng)景。

倒裝式載帶焊則采用芯片表面朝向基板的安裝方式，通過芯片表面與基板焊區(qū)的等間距匹配，顯著減少引線長(zhǎng)度及電感，提升信號(hào)傳輸速率，尤其適用于高頻、高速數(shù)字電路。凹型式載帶焊在結(jié)構(gòu)上與倒裝式類似，通過縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)更緊湊的組裝密度，但受限于材料應(yīng)力匹配及工藝精度，實(shí)際應(yīng)用仍面臨良率提升的挑戰(zhàn)。陣列載帶焊則通過載帶導(dǎo)線的陣列化鍵合，進(jìn)一步提升了組裝密度與電性能一致性，成為高密度互連（HDI）領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

在工藝流程層面，載帶芯片制造涵蓋電極凸點(diǎn)焊片制備、載帶設(shè)計(jì)、內(nèi)部導(dǎo)線鍵合（ILB）、密封、測(cè)試?yán)匣?、外部?dǎo)線鍵合（OLB）及最終測(cè)試安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電極凸點(diǎn)焊片不僅作為ILB的金屬化引出電極，還承擔(dān)防止短路、保護(hù)鋁電極免受腐蝕的重任。載帶設(shè)計(jì)需兼顧標(biāo)準(zhǔn)化與定制化需求，JEDEC和EIAJ標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)了外部導(dǎo)線鍵合點(diǎn)及載帶結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，而專用CAD工具的應(yīng)用則加速了載帶設(shè)計(jì)的自動(dòng)化進(jìn)程。ILB工藝的選擇需綜合考量元件尺寸、載帶材料及焊片特性，金屬化鍵合技術(shù)如熱壓焊、超聲焊等在此環(huán)節(jié)發(fā)揮核心作用。密封環(huán)節(jié)則對(duì)材料性能提出嚴(yán)苛要求，環(huán)氧樹脂、硅樹脂等需滿足低α粒子輻射、高溫穩(wěn)定性、低吸水性、低離子遷移等特性，以保障芯片長(zhǎng)期可靠性。

載帶焊的顯著優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在電學(xué)性能優(yōu)化、高密度組裝、組裝前可測(cè)試性及可修理性等方面。相較于傳統(tǒng)導(dǎo)線組裝，其更低的引線電感、更高的信號(hào)完整性使其在高速數(shù)字電路、射頻模塊等領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，組裝前的可測(cè)試性及老化篩選能力，有效提升了成品良率及可靠性。

然而，載帶焊的廣泛應(yīng)用仍受限于高昂的設(shè)備投資、材料成本及工藝復(fù)雜性，尤其在高性能MCM領(lǐng)域，先進(jìn)設(shè)備與材料基礎(chǔ)架構(gòu)的完善、資金投入的持續(xù)性仍是關(guān)鍵制約因素。

用于載帶的芯片電極焊片處理

載帶芯片電極焊片處理作為載帶焊工藝的核心環(huán)節(jié)，其技術(shù)演進(jìn)始終圍繞提升電氣連接可靠性、優(yōu)化工藝兼容性及降低長(zhǎng)期失效風(fēng)險(xiǎn)展開。典型凸點(diǎn)焊片結(jié)構(gòu)以多層金屬膜體系為基礎(chǔ)，通常在鋁層表面依次沉積0.2μm厚Ti-W擴(kuò)散勢(shì)壘層與0.1μm厚Au可焊層，形成“鋁-擴(kuò)散層-可焊層”的三明治結(jié)構(gòu)。Ti-W合金憑借優(yōu)異的抗鋁擴(kuò)散能力與良好的附著強(qiáng)度，有效抑制了鋁原子向焊點(diǎn)的遷移，而頂層Au則通過提供低接觸電阻界面，確保了內(nèi)部導(dǎo)線鍵合（ILB）的工藝穩(wěn)定性。焊片圖形設(shè)計(jì)需精確匹配芯片I/O焊區(qū)布局，其形成工藝多采用真空蒸發(fā)或?yàn)R射沉積結(jié)合掩模光刻/腐蝕技術(shù)，近年來電子束蒸發(fā)與磁控濺射技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)一步提升了金屬膜層的厚度均勻性與界面結(jié)合強(qiáng)度。

焊片材料選擇方面，Cu與Au仍占據(jù)主導(dǎo)地位。Cu焊片通過物理氣相沉積（PVD）或化學(xué)鍍工藝實(shí)現(xiàn)，其成本優(yōu)勢(shì)與良好的導(dǎo)電性使其在成本敏感型應(yīng)用中廣受歡迎；而Au焊片則憑借優(yōu)異的抗氧化性與可焊性，在高性能芯片中持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。為提升ILB鍵合質(zhì)量，部分方案在Au焊片表面電鍍Sn層，通過形成Au-Sn金屬間化合物增強(qiáng)鍵合強(qiáng)度，該工藝需嚴(yán)格控制電鍍參數(shù)以避免Sn層過厚導(dǎo)致的界面脆化問題。值得注意的是，傳統(tǒng)Pb-Sn焊料因熔點(diǎn)過低（約183℃），在外部導(dǎo)線鍵合（OLB）高溫工藝中易發(fā)生二次熔化，導(dǎo)致ILB鍵合點(diǎn)失效，故已被無鉛方案逐步替代，如SAC（錫銀銅）合金焊料的應(yīng)用正逐步擴(kuò)展至載帶焊領(lǐng)域。

工藝兼容性方面，焊片制造需與芯片鈍化層開口工藝精準(zhǔn)匹配，確保焊片完全覆蓋鋁焊區(qū)并延伸至鈍化層表面，形成對(duì)鋁層的全封閉保護(hù)，防止水分與污染物侵蝕。光刻膠掩模與濕法腐蝕工藝的優(yōu)化，有效提升了焊片圖形的邊緣清晰度與尺寸精度，而干法刻蝕技術(shù)的引入則進(jìn)一步減少了側(cè)壁腐蝕缺陷。此外，金絲球焊鍵合技術(shù)因其工藝成熟度高、成本低廉，在焊片連接中仍占據(jù)重要地位，其通過超聲熱壓作用在焊片與載帶導(dǎo)線間形成可靠的冶金結(jié)合，適用于中小規(guī)模芯片的ILB工藝。

載帶導(dǎo)線的制造

載帶導(dǎo)線制造作為載帶芯片封裝的核心環(huán)節(jié)，其技術(shù)演進(jìn)始終圍繞材料性能優(yōu)化、工藝精度提升及成本效益平衡展開。載帶材料的選擇需綜合考量電學(xué)、機(jī)械、化學(xué)及環(huán)境適應(yīng)性等多維度性能，以滿足制造、裝配及長(zhǎng)期應(yīng)用需求。其中，銅因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、延展性及成本優(yōu)勢(shì)，成為導(dǎo)體層的主選材料，具體分為壓軋退火銅（R&A）與電淀積銅（ED）兩類，二者微觀結(jié)構(gòu)差異直接影響鍵合性能——R&A銅因晶粒粗大、延展性佳，更適用于需高可靠鍵合的場(chǎng)景；ED銅則因晶粒細(xì)密、尺寸精度高，常用于精密間距設(shè)計(jì)。電介質(zhì)層作為載帶的支撐與絕緣結(jié)構(gòu)，聚酰亞胺憑借其高溫穩(wěn)定性、低離子污染及優(yōu)異防潮性能占據(jù)主導(dǎo)地位，典型如日本Ube公司的Upilex與杜邦公司的Kapton，二者雖性能各有側(cè)重（Upilex硬度高但蝕刻難度大，Kapton柔韌性佳但需匹配特定工藝），但均通過持續(xù)工藝優(yōu)化滿足三層載帶等復(fù)雜結(jié)構(gòu)需求。粘合劑作為三層載帶中導(dǎo)體與電介質(zhì)的關(guān)鍵連接層，聚丙烯或環(huán)氧基材料因組分可控、兼容性佳被廣泛采用，其電阻穩(wěn)定性在寬濕度范圍內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)異，有效保障了載帶的長(zhǎng)期可靠性。

電鍍工藝方面，銅導(dǎo)線表面常鍍覆錫、金或錫-金合金以增強(qiáng)保護(hù)性與鍵合性能，鎳層作為阻擋層可抑制銅與鍍層的互擴(kuò)散。值得注意的是，金鍍層雖可焊性優(yōu)異，但需通過總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均勻鍍覆；錫鍍層則因低熔點(diǎn)特性需避免二次熔化風(fēng)險(xiǎn)，故常采用無鉛合金方案如SAC（錫銀銅）以符合環(huán)保趨勢(shì)。載帶類型按層數(shù)可分為單層、雙層及三層結(jié)構(gòu)，單層載帶以R&A銅經(jīng)化學(xué)蝕刻成型，成本低廉但尺寸受限且缺乏可測(cè)試性，多用于塑料組件；雙層載帶通過ED銅與聚酰亞胺電介質(zhì)結(jié)合，輔以鉻鍍層提升粘附力，其可測(cè)試性與間距精度優(yōu)勢(shì)使其在MCM應(yīng)用中占據(jù)重要地位；三層載帶則引入粘合劑層實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的粘合力與平整度，材料選擇靈活性更高，支撐介質(zhì)厚度可達(dá)125μm，適配更復(fù)雜的窗口、鏈齒孔等特征加工，成為高密度互連（HDI）場(chǎng)景的優(yōu)選方案。

內(nèi)部導(dǎo)線（ILB）鍵合

內(nèi)部導(dǎo)線鍵合（ILB）作為載帶芯片封裝的核心工藝，其技術(shù)演進(jìn)始終圍繞提升鍵合可靠性、優(yōu)化工藝效率及適應(yīng)高密度互連需求展開。ILB工藝通過列式鍵合與單點(diǎn)鍵合兩大技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)，二者在適用場(chǎng)景與性能優(yōu)勢(shì)上形成互補(bǔ)。列式鍵合通過恒定熱頭或脈沖熱頭實(shí)現(xiàn)多導(dǎo)線同步鍵合，其核心在于熱頭平整度與溫度均勻性的精準(zhǔn)控制——恒定熱頭憑借金剛石拋光面與內(nèi)置加熱套的組合，在450～550℃、75～150g/條導(dǎo)線壓力、100～300ms鍵合時(shí)間的參數(shù)窗口內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)金-金鍵合的寬工藝窗口適配；而脈沖熱頭則通過溫度曲線編程，適配低溫共熔回流焊需求，尤其適用于錫載帶與金焊片的組合，其優(yōu)勢(shì)在于局部熔融形成共熔合金，減少熱應(yīng)力損傷。單點(diǎn)鍵合則以熱超聲鍵合為主導(dǎo)，通過150～250℃基座加熱與超聲能量耦合，在降低鍵合溫度與壓力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線級(jí)精度控制，尤其適用于GaAs等易碎芯片及精密間距場(chǎng)景，其自動(dòng)化程度高、參數(shù)可調(diào)性強(qiáng)的特點(diǎn)，使其在導(dǎo)線數(shù)多、間距精密的應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

在具體鍵合方法層面，熱壓鍵合憑借金屬原子擴(kuò)散形成冶金結(jié)合的特性，成為金載帶與焊片的通用方案；低溫共熔回流焊通過相圖匹配選擇載帶與焊片金屬，如金焊片與錫載帶的組合，利用液相焊料凝固形成鍵合，需熱頭材料具備抗粘附特性；熱超聲鍵合則通過超聲能量降低鍵合能壘，實(shí)現(xiàn)低溫低壓鍵合；激光焊接作為新興技術(shù)，通過YAG激光或雙倍頻激光的波長(zhǎng)匹配，實(shí)現(xiàn)錫、金等材料的局部加熱，其優(yōu)勢(shì)在于非接觸式加熱與微區(qū)控制能力，尤其適用于高密度引線鍵合及三維集成場(chǎng)景。

外部導(dǎo)線（OLB）鍵合

外部導(dǎo)線鍵合（OLB）作為載帶芯片封裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其技術(shù)演進(jìn)聚焦于提升連接可靠性、優(yōu)化工藝效率及適應(yīng)高密度互連需求，同時(shí)兼顧環(huán)保與智能化趨勢(shì)。OLB工藝涵蓋切割引線成型、焊劑處理、芯片粘接、精密對(duì)位安裝、實(shí)際焊接及焊后清洗等輔助流程，各環(huán)節(jié)需協(xié)同匹配以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量互連。

切割與引線成型是OLB的起始步驟，需在安裝芯片前將載帶上的Cu箔引線從基材分離并成型，其核心在于釋放熱應(yīng)力并適配后續(xù)焊接需求。隨著引線尺寸縮小至微米級(jí)、間距壓縮至100μm以下，該工序?qū)芗庸ぴO(shè)備與工藝控制的要求顯著提升，例如采用激光切割結(jié)合微成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)精度，同時(shí)通過應(yīng)力釋放槽設(shè)計(jì)降低熱應(yīng)力對(duì)引線可靠性的影響。

焊劑處理與芯片粘接環(huán)節(jié)需根據(jù)基板材料（如FR-4、陶瓷）及焊接機(jī)理選擇適配方案。焊劑通過化學(xué)作用清除引線與焊區(qū)表面的氧化物，提升焊接潤濕性；芯片粘接則需在基板焊區(qū)表面均勻涂覆導(dǎo)電膠或焊膏，確保芯片與基板間的機(jī)械與電氣連接。對(duì)位安裝是OLB的核心挑戰(zhàn)，需借助高精度機(jī)械臂、機(jī)器視覺系統(tǒng)及激光對(duì)位技術(shù)實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度，尤其當(dāng)OLB間距小于100μm時(shí)，精密對(duì)位直接決定焊接質(zhì)量，避免短路或開路缺陷。

焊接工藝分為批量群焊、單個(gè)元件群焊及逐點(diǎn)焊接三類。批量群焊如紅外再流焊、氣相再流焊，適用于焊區(qū)間距較大的場(chǎng)景，通過整體加熱實(shí)現(xiàn)高效焊接，但需控制溫度均勻性以避免熱應(yīng)力損傷。單個(gè)元件群焊包含熱桿熱壓法、熱桿再流焊法及聚焦紅外法，其中熱壓法通過熱與壓力在金-金、銅-銅界面形成冶金結(jié)合，但對(duì)引線與基板平整度及熱頭溫度控制要求嚴(yán)苛；熱桿再流焊則引入焊料與焊劑，提升焊接性能；聚焦紅外法通過局部加熱實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)焊接，需優(yōu)化能量分布以避免周邊元件熱損傷。逐點(diǎn)焊接以熱聲法、熱壓法及激光法為代表，熱聲法結(jié)合熱能與超聲能，在250℃左右實(shí)現(xiàn)低溫低壓鍵合，對(duì)平整度要求寬松且支持返工，尤其適用于GaAs等易碎芯片；激光法通過YAG或雙倍頻激光實(shí)現(xiàn)局部加熱，適配高密度引線鍵合及三維集成場(chǎng)景。?