键合技术
微系统封装技术-键合技术
航空航天领域
用于制造微型化航空电子设备、 卫星电路模块等。
通信领域
用于制造手机、路由器、交换 机等通信设备中的微型化电路 模块。
医疗领域
用于制造微型化医疗器械，如 植入式电子器件、医疗传感器 等。
智能制造领域
用于制造微型化工业传感器、 控制器等智能制造设备中的电 路模块。
02
键合技术的基本原理
键合技术的定义
键合技术的关键要素
键合材料的选择
总结词
选择合适的键合材料是实现高质量微系统封装的关键，需要考虑材料的物理性质、化学稳定性、热膨胀系数匹配 等因素。
详细描述
在微系统封装中，键合材料的选择至关重要。材料需要具备优良的导热性、导电性、耐腐蚀性和稳定的化学性质， 以确保键合的可靠性和长期稳定性。此外，材料的热膨胀系数也需要与基材相匹配，以减少因温度变化引起的应 力，防止键合层破裂或脱落。
超声键合技术
超声键合技术是一种利用超声波能量实现芯片 与基板连接的封装技术。
超声键合技术具有非热、非机械接触、快速和 低成本的优点，适用于各种不同类型的材料和 器件。
超声键合技术的关键在于超声波的传播和控制， 需要精确控制超声波的频率、振幅和作用时间 等参数，以确保键合的质量和可靠性。
热压键合技术
环境友好型封装技术
无铅封装
推广无铅封装技术，减少 对环境的重金属污染，满 足绿色环保要求。
可回收封装
研究开发可回收再利用的 封装材料和工艺，降低资 源消耗和环境污染。
节能封装
优化封装设计和工艺，降 低微系统封装的能耗，实 现节能减排的目标。
06
结论
微系统封装技术的重要性
提升电子设备性能
节能环保
键合质量的检测与控制
1 几种主要的键合方法
1 几种主要的键合方法1）低温直接键合方法（1993）硅片直接键合技术(Silicon Direct Bonding)(简称SDB)就是把一片抛光硅片经表面清洁处理，在室温下预键合，再经高温键合而成为一个整体的技术。
低温键合对环境要求较高，要求键合片的表面非常平整光滑，在键合前要对键合片表面进行活化处理。
2）二步直接键合法（1986）通常，键合前先对硅片表面进行亲水性预处理，接着在室温下对硅片进行键合，然后对键合硅片经1000℃左右高温退火，以达到最终的键合强度。
3）阳极键合技术（Anodic Bonding）阳极键合技术是由美国等人提出，又称静电键合Wallis或场助键合。
是一种将硅芯片或圆片与玻璃衬底相封接的封装方法键合时，将对准好的样品放在加热板上，硅芯片或圆片与阳极相接，玻璃与阴极相接。
当温度升高后，玻璃中Na离子的迁移率提高，在电场作用下，Na向阴极迁移，并在阴极被中性化，然而，在玻璃中固定的束缚负离子O 2 -保持不动，并在硅的表面感应形成一层空间正电荷层，使得硅片和玻璃之间产生静电力完成键合。
4) 外延Liftoff方法(ELO)（1987）其基本原理是器件层结构先生长在晶格匹配的衬底上，中间有牺牲层（lift-off），用选择性湿法刻蚀技术除掉牺牲层，这样器件层就可以剥离、键合、转移到另一个衬底上，2键合的基本原理第一阶段，从室温到110℃，Si-O-Si键逐渐被界面水分解Si-O-Si+ HOH Si-OH+ OH-Si增大界面区-OH基团，在键合片间形成更多的氢键第二阶段，温度在110~150 ℃，界面处Si-OH基团合成化形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即Si-OH+ HO-Si Si-O-Si+ H2O第三阶段，150~800 ℃，由于受键合面积的限制，键合强度不再增强。
150 ℃时，几乎所有的硅醇键都变为硅氧键，从而达到键合。
温度大于800 ℃时，由于氧化层的粘滞流动和界面处物质的扩散，可消除所有非键合区，达到完全键合。
低温键合技术
低温键合技术
（原创实用版）
目录
一、低温键合技术的定义和原理
二、低温键合技术的应用领域
三、低温键合技术的优势与局限性
四、我国在低温键合技术方面的发展与成果
正文
一、低温键合技术的定义和原理
低温键合技术，是一种在低温环境下进行的化学键合反应，通过这种技术，可以在各种材料之间形成稳定的化学键。
这种技术广泛应用于微电子、光电子和材料科学等领域。
低温键合技术的原理主要是通过在低温环境下，使反应物分子的活性得到提高，从而促使它们之间发生化学反应，形成新的化学键。
二、低温键合技术的应用领域
低温键合技术在许多领域都有广泛的应用。
在微电子领域，它可以用于制造集成电路，提高电路的性能和稳定性；在光电子领域，它可以用于制造高效率的光电子器件，如 LED 和太阳能电池；在材料科学领域，它可以用于研究材料的微观结构和性能。
三、低温键合技术的优势与局限性
低温键合技术的主要优势在于可以在低温环境下进行反应，减少了对材料的热损伤，同时也提高了反应的效率和选择性。
然而，这种技术也存在一些局限性，如反应条件要求严格，对反应物的纯度和反应环境都有较高的要求，同时反应过程的控制也较为复杂。
四、我国在低温键合技术方面的发展与成果
我国在低温键合技术方面也取得了显著的发展和成果。
我国科研人员在低温键合技术的原理和应用方面进行了深入研究，取得了一系列重要的理论和实验成果。
《键合技能培训》课件
优化工艺参数
通过不断试验和调整，找到最佳的工艺参数 组合，提高键合质量和效率。
建立质量管理体系
制定完善的质量管理体系和规章制度，确保 产品质量得到有效控制和管理。
05
CATALOGUE
键合技术的应用案例
集成电路封装中的键合应用
总结词
集成电路封装中，键合技术主要用于连接芯片与引线框架， 实现电气连接和机械固定。
或分子结合在一起。
键合的物理基础
总结词
键合的物理基础主要包括量子力学和分子运动论。
详细描述
量子力学是描述微观粒子运动和相互作用的科学，它解释了原子和分子的结构 和性质。分子运动论则从宏观角度解释了物质的热性质和分子运动。这些理论 为理解键合的物理基础提供了重要的理论基础。
键合的化学基础
总结词
键合的化学基础主要包括共价键、离子键和金属键等。
VS
详细描述
在传感器封装中，传感器芯片与基板之间 的连接是关键环节。键合技术通过将传感 器芯片与基板上的电极进行连接，实现信 号传输和机械固定。常用的键合技术包括 超声键合、热压键合和球状键合等。
06
CATALOGUE
总结与展望
键合技术的总结
键合技术的基本原理
详细介绍了键合技术的基本原理，包括键合的概念、键合的分类 以及键合的物理机制等。
键合技术广泛应用于电子封装 、微电子器件制造、光电子器 件制造等领域。
键合技术的应用领域
01芯片与基板连接在一 起，实现芯片与外部电路 的互连。
微电子器件制造
在微电子器件制造中，键 合技术用于将不同材料连 接在一起，形成复杂的电 路和结构。
光电子器件制造
无损检测
利用超声波、X射线等技术，在不破 坏产品的情况下进行内部结构和键合 质量的检测。
晶圆键合技术
晶圆键合技术1. 简介晶圆键合技术是微电子封装工艺中的一种关键技术，用于将芯片（晶圆）与封装基板（或其他器件）进行可靠连接。
晶圆键合技术的发展不仅极大地推动了芯片封装工艺的进步，也在很大程度上决定了设备的性能和可靠性。
晶圆键合技术主要包括金属键合和焊接键合两种方式。
金属键合是通过高温和压力，将芯片上的引线与基板上的引线进行永久性连接；焊接键合则是利用熔化焊锡将芯片和基板焊接在一起。
2. 金属键合技术2.1 金线键合金线键合是金属键合技术中的一种常见方式，主要适用于封装基板与芯片之间的连接。
金线键合的过程可以分为几个步骤：首先，在芯片和基板上分别形成金属化层，并利用历程刻蚀等工艺形成金属引线；然后，在携带有金线的键合头和芯片/基板之间施加适当的压力，同时通过高频感应电流使金线加热，实现金线与芯片/基板引线的焊接。
金线键合可以使用很多种金属线材，如金、铜、铝等。
具体的选择要视工艺和应用需求而定。
金属线材的选择和键合参数的优化对键合质量和可靠性有着重要影响。
2.2 管芯键合管芯键合是金属键合技术的另一种常见方式，主要适用于封装器件内部的连结。
管芯键合的过程相对简单，首先在芯片和基板上形成金属化层，然后将一根细小的金属导管（通常是金或铜）放置在芯片和基板之间的对应位置，再利用连接头施加适当的压力和温度，将导管键合在芯片和基板上。
管芯键合的优点在于可以实现器件之间非常细小的连接，提供了更高的连接密度和更好的电性能。
3. 焊接键合技术焊接键合技术通过熔化焊锡将芯片和基板焊接在一起，是封装工艺中另一种常用的连接方式。
焊接键合技术主要分为球栅键合和波峰焊键合两种方式。
3.1 球栅键合球栅键合是一种适用于封装球栅阵列型（BGA）芯片的焊接方式。
具体的焊接过程为：首先，在芯片和基板上涂覆焊锡球粘合剂；然后，在每个芯片焊盘上放置一个焊锡球；接着，通过热源加热焊锡球，使其熔化并与基板焊盘进行键合。
球栅键合技术在封装工艺中应用广泛，能够实现高可靠性的连接，适合于需求较高的封装应用，如半导体器件封装。
键合技术
键合技术键合技术定义：在室温下两个硅片受范德瓦耳斯力作用相互吸引，硅片表面基团发生化学作用而键合在一起的技术。
键合技术广泛应于MEMS 器件领域，是一项充满活力的高新技术，对我国新技术的发展有十分重要的意义。
在MEMS 制造中，键合技术成为微加工中重要的工艺之一，它是微系统封装技术中重要的组成部分，主要包括以下几方面：1、阳极键合技术优点及应用优点:具有键合温度较低，与其他工艺相容性较好，键合强度及稳定性高，键合设备简单等优点。
应用:阳极键合主要应用于硅/硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合。
1、1 阳极键合机理阳极静电键合的机理：在强大的静电力作用下，将二个被键合的表面紧压在一起；在一定温度下，通过氧一硅化学价键合，将硅及淀积有玻璃的硅基片牢固地键合在一起。
1、2 阳极键合质量控制的主要因素（1）在硅片上淀积玻璃的种类硅-硅基片阳极键合是一种间接键合，间接键合界面需引入材料与硅基片热学性质匹配，否则会产生强大的内应力，严重影响键合质量。
因此对硅-硅基片阳极键合时淀积的玻璃种类要认真选择。
（2）高质量的硅基片准备工艺为了提高硅-硅阳极键合的质量，硅基片表面必须保持清洁，无有机残留物污染，无任何微小颗粒，表面平整度高。
为确保硅基片平整，光滑，表面绝对清洁，为此要采用合适的抛光工艺，然后施以适当的清洗工艺。
清洗结束后，应立刻进行配对键合，以免长期搁置产生表面污染。
（3）控制阳极键合工艺参数保证键合质量阳极键合的主要工艺参数：键合温度，施加的直流电压。
为了使玻璃层内的导电钠离子迁移，以建立必要的静电场。
普遍认为键合温度控制在200℃- 500℃较适宜。
推荐的施加电压一般在20V-1000V之间，其范围较宽，具体视玻璃材料性质及所选的键合温度来决定。
1、3 阳极键合技术的应用硅/硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中制造SOI结构，此处介绍一种具体工艺流程，如图1-1所示。
键合技术的应用
键合技术的应用
1. 微电子领域：在集成电路制造中，键合技术用于将芯片与封装进行连接，实现电路的组装和封装。
2. 光电子领域：在光电子器件制造中，键合技术可用于连接激光器、探测器、光纤等光学元件，提高光电子器件的性能。
3. 传感器领域：键合技术可用于制造各种传感器，如压力传感器、温度传感器、气体传感器等。
4. 生物医学领域：在生物医学工程中，键合技术用于制造生物芯片、生物传感器、药物输送系统等。
5. 新能源领域：在太阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造中，键合技术可用于连接各层材料，提高能量转换效率。
6. 材料科学领域：键合技术可用于制备复合材料、纳米材料、功能材料等，提高材料的性能和功能。
7. 封装领域：在电子封装中，键合技术用于连接芯片和基板，实现电气和机械连接。
总之，键合技术在微电子、光电子、传感器、生物医学、新能源、材料科学和封装等领域都有重要的应用。
随着科技的不断发展，键合技术也在不断创新和改进，为各个领域的发展提供了有力的支持。
键合技术概述
引言概述在现代电子技术领域，键合技术是一项关键技术，广泛应用于集成电路、光电子器件、微电子封装等领域。
键合技术的目的是将两个或多个物体通过键合技术放置在一起，以实现电子设备的电连接、信号传递和机械强度的提供。
本文将深入探讨键合技术的原理、分类、应用以及未来发展方向。
正文内容1. 键合技术原理1.1 金属键合技术原理金属键合技术是一种通过热压、焊接或化学反应等方式将两个金属材料永久性连接在一起的技术。
其原理主要基于金属材料的导电性和可塑性，在一定温度和压力下，金属材料之间的分子间力使得两者相互结合。
1.2 硅键合技术原理硅键合技术是应用于微电子封装领域的一种关键技术。
其原理基于硅材料在特定温度和压力下的化学反应，通过硅键合技术可以将芯片与载体物理上固定在一起，并且电连接的同时形成较强的机械支撑。
2. 键合技术分类2.1 金属键合技术分类金属键合技术可以进一步分为焊接、压合和电极化学键合等几类。
焊接是通过热源将两个金属材料熔接在一起，而压合是通过压力将两个金属材料加工成密封形状，并形成固态连接。
电极化学键合则是通过电流和化学反应将两个金属材料连接在一起。
2.2 硅键合技术分类硅键合技术主要可以分为金属键合和焊接键合两类。
金属键合是通过金属材料在高温下的化学反应将芯片与载体连接在一起，而焊接键合则是通过焊料在高温下熔化并冷却形成连接。
3. 键合技术应用3.1 集成电路封装键合技术在集成电路封装中发挥着至关重要的作用。
通过键合技术，可以将芯片与封装基板连接在一起，实现电连接和信号传递，同时提供机械支撑。
不同的键合技术可以适用于不同的封装器件，如BGA、CSP、COB等。
3.2 光电子器件制备光电子器件是利用光与电之间的相互关系进行信息处理和传输的设备。
键合技术在光电子器件制备中起到重要的作用。
例如，在激光器的制备过程中，通过键合技术可以将激光芯片与泵浦源键合在一起，实现光的放大和产生。
而在光通信领域，键合技术也被用于激光二极管和光纤的连接。
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加热键合压头
键合凸点
送带板
芯片载带
电子蜡层
芯片
送片台
内侧引线键合操作示意图
内侧引线键合好之后进行塑封，然后再封装在基板上
引线
IC
聚酰亚胺载带
切断、冲压成型
安装
焊料 基板 焊盘
热压键合
加热键合压头
外侧引线键合操作
1.2 引线连接法（WB）
定义：通过热压、钎焊等方法将芯片中各金属化端子与封装基 板相应引脚焊盘之间的键合连接。 热压键合法 引线连接技术
2.2.2 FCB－机械接触法
• 机械接触法原理：
在基板金属焊盘上涂覆可光固化的环氧树脂，将凸点芯片 倒装加压进行UV光固化，所形成的收缩应力使凸点金属与基板金 属焊盘达到可靠的机械接触互连（并非焊接）——适用于高I/O数 的微小凸点FCB。
加压
IC Au 光固化 环氧树脂 基板
导体
3.0 压接倒装互联技术
布线端子
引线
芯片 布线板
超声键合法 热超声键合法
特点：适用于几乎所有的半导体集成电路元件，操作方便，封 装密度高，但引线长，测试性差。
1.2.1 引线连接法-热压键合（TCB）
定义： 利用微电弧使φ25~φ50um的Au丝端头熔化成球状,通过送 丝压头将球状端头压焊在裸芯片电极面的引线端子,形成第1键 合点。 然后送丝压头提升，并向基板位置移动，在基板对应的 导体端子上形成第2键合点，完成引线连接过程。
键合牢固，强度高； 无需加热；对 在略粗糙的表面上 表面洁净度不 也能键合；键合工 十分敏感； 艺简单 对表面清洁度很敏 感；应注意温度对 元件的影响 适用于单片式LSI 对表面粗糙度 敏感；工艺控 制复杂 最适合采用Al 丝
缺点
其他
1.3 梁式引线法
• 定义：
采用复式沉积方式在半导体硅片上制备出由多 层金属组成的梁，以这种梁来代替常规内引线与外 电路实现连接 。
1.2.4 三种引线连接方法对比
特性 热压键合法
Au丝 φ15～φ100um
超声键合法
Au丝，Al丝 Φ10～φ500um
热超声键合法
Au丝 Φ15～φ100um
可用的丝质 及直径
键合丝的切 断方法 优点
高电压（电弧） 拉断
拉断(超声压头) 高电压（电弧） 拉断(送丝压头) 拉断 高电压(电弧) 与热压键合法相比， 可以在较低温度、 较低压力下实现键 合 需要加热；与热压 法相比工艺控制要 复杂些 适用于多芯片LSI 的内部布线连接
3.3 表面电镀Au的树脂微球连接方式
在芯片和基板之间夹入表面镀Au的树脂微球，同时在间隙中填 充树脂，然后加大芯片和基板间的压力，使树脂微球呈稍稍压扁 的状态，并在这种状态下使树脂固化，从而获得电气及机械连接。
3.4 Au凸点连接方式
在芯片电极上形成Au凸点，利用绝缘树脂的压缩应力，实现 Au凸点与基板一侧电路图形的电气连接。
导电性粘结剂连接方式 各向异性导电膜（浆料）连接方式 压接倒装互联技术
利用表面电镀Au的树脂微球进行连接的方式
Au凸点连接方式
3.1 导电性粘结剂连接方式
在芯片电极上形成Au凸点，在基板上的电极上涂覆导电性 粘结剂，经压接实现电器连接。
3.2 各向异性导电膜（浆料）连接方式
在芯片电极上形成Au凸点，把各向异性导电膜ACF夹于IC芯片 与基板电极之间，加压，使凸点金属平面通过导电粒子压在基板 焊盘上，靠金属微球的机械性接触实现电气连接，而其他方向 （ｘ、ｙ平面）上因无连续的粒子球而不会导电——多用于温度 要求不高的LCD的凸点芯片的连接。
• 特点：
封装速度高，可以同时进行成百上千个以上焊点的互连； 焊球直接完成芯片和封装间的电连接，实现了芯片和封装 间最短的电连接通路，具有卓越的电气性能； 芯片电极焊接点除边缘分布外，还可以设计成阵列分布， 因此，封装密度几乎可以达到90%以上。
2.1 封装结构
芯片
在芯片上形成金属化层，在金属化层上制 作钎料合金凸点；
凸点 电极
芯片面向下与基板上的金属化层对准；
PCB
钎焊
加热使钎料合金熔化，形成连接；
倒装芯片法示意图
在芯片与基板之间填充树脂
2.2.1 FCB－C4法(Controlled Collapse Chip Connection)
• 可控塌陷芯片互连原理：
焊料凸点完全融化，润湿基板金属层，并与之反应。
• 特点：
主要在军事、宇航等要求长寿命和高可靠性的 系统中得到应用。其优点在于提高内引线焊接效率 和实现高可靠性连接，缺点是梁的制造工艺复杂， 散热性能较差，且出现焊点不良时不能修补。
芯片 梁式引线
电极
基板
热压接
梁式引线法示意图
2.0 倒装芯片（FCB）互连
• 定义：
在芯片的电极处预制焊料凸点，同时将焊料膏印刷到基 板一侧的引线电极上，然后将芯片倒置，使芯片上的焊料凸 点与之对位，经加热后使双方的焊料熔为一体，从而实现连 接。
1.2.2 超声键合法（USB）
• 原理： 对Al丝施加超声波，对材料塑性变形产生的影响，类似 于加热。超声波能量被Al中的位错选择性吸收，从而位错在 其束缚位置解脱出来，致使Al丝在很低的外力下即可处于塑 性变形状态。 这种状态下变形的Al丝，可以使基板上蒸镀的Al膜表面上形 成的氧化膜破坏，露出清洁的金属表面，偏于键合。
1
2
压头下降，焊球被锁定在端部中央
在压力、温度的作用下形成连接
3
4
压头上升
压头高速运动到第二键合点， 形成弧形
第一键合点的形状
5
6
在压力、温度作用下形成第二点连接
压头上升至一定位置，送出尾丝
7
8
夹住引线，拉断尾丝
引燃电弧，形成焊球 进入下一键合循环
第二键合点
球形焊点
契形焊点
丝球焊点形状
热压球焊点的外观
1.2.3 热超声键合法（TSB）
• 基理： 利用超声机械振动带动丝与衬底上蒸镀的膜进行摩擦， 使氧化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，接头区的温升以 及高频振动，使金属晶格上原子处于受激活状态，发生相互 扩散，实现金属键合。 • 工作原理： 在超声键合机的基板支持台上引入热压键合法中采用的 加热器，进行辅助加热；键合工具采用送丝压头，并进行超 声振动；由送丝压头将Au丝的球形端头超声热压键合在基板 的布法
• 原理：
在PCB金属焊盘上涂敷低温Pb/Sb焊膏，倒装上凸点芯片 后，只是低温焊膏再回流，高温Pb/Sb凸点却不熔化。
• 自对准效应
当芯片焊盘与衬底焊盘之间偏移不超过焊球平 均半径的三倍，并且在回流过程中能达到熔融焊球 与衬底焊盘部分浸润，在熔融焊料表面张力的作用 下，可以矫正对位过程中发生的偏移，将芯片拉回 正常位置，回流过程结束后形成对准良好的焊点。
微互连技术
——各种微互连方式简介
目录
• 裸芯片微组装技术
• 倒装焊微互连技术 • 压接倒装互连技术
1.0 裸芯片微组装技术
定义：将芯片直接与基板相连接的一种技术。
载带自动键合法 引线连接法 裸芯片微组装 梁式引线法 倒装芯片法
1.1 载带自动键合法（TAB）
定义：将芯片凸点电极与载带的引线连接，经过切断、 冲压等工艺封装而成。 载带：即带状载体，是指带状绝缘薄膜上载有由覆 铜箔经蚀刻而形成的引线框架，而且芯片也 要载于其上。 载带一般由聚酰亚胺制作，两边 设有与电影胶片规格相统一的送 带孔，所以载带的送进、定位均 可由流水线自动进行，效率高， 适合于批量生产。
• 特点： 适合细丝、粗丝以及金属扁带 不需外部加热，对器件无热影响 可以实现在玻璃、陶瓷上的连接 适用于微小区域的连接
超声压头 Al 丝
加压 超声波振动
基板电极 芯片电极
1. 定位（第一次键合）
2. 键合
拉引
3. 定位（第2次键合）
4. 键合－切断
超声键合法工艺过程
超声键合实物图