文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介紹了熱壓鍵合（TCB）工藝的技術(shù)原理和流程。

熱壓鍵合（Thermal Compression Bonding，TCB）是一種先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝工藝技術(shù)，通過同時(shí)施加熱量和壓力，將芯片與基板或其他材料緊密連接在一起。這種技術(shù)能夠在微觀層面上實(shí)現(xiàn)材料間的牢固連接，為半導(dǎo)體器件提供穩(wěn)定可靠的電氣和機(jī)械連接。

技術(shù)原理

熱壓鍵合的原理主要依賴于熱和壓力的共同作用。在鍵合過程中，芯片和基板的銅凸點(diǎn)首先進(jìn)行對(duì)中，然后通過加熱和施加壓力，使凸點(diǎn)表面原子發(fā)生擴(kuò)散，形成原子級(jí)的金屬鍵合。由于電鍍后的銅凸點(diǎn)表面粗糙且存在高度差，鍵合前需進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光等平坦化處理，以確保充分接觸。

與傳統(tǒng)的回流焊工藝相比，熱壓鍵合在控制芯片和基板翹曲方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。回流焊工藝中，芯片和基板的曲翹得不到有效控制，導(dǎo)致芯片與基板之間的距離變化大，容易引發(fā)虛焊和橋接等缺陷。而熱壓鍵合通過真空將基板和芯片分別束縛在平整的基座和鍵合頭上，有效控制翹曲，使芯片間隙高度變化范圍大幅縮小，提高了工藝穩(wěn)定性和可靠性。

鍵合流程詳解

熱壓鍵合的流程包含多個(gè)精密步驟，以最常見的TCCUF（熱壓鍵合與毛細(xì)管底部填充）為例，整個(gè)過程僅需1到5秒?；灞徽婵瘴皆诩訜岬幕?，溫度設(shè)定在150°C到200°C之間；鍵合頭同樣加熱并拾取芯片。通過相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)位，確保芯片與基板的凸點(diǎn)對(duì)齊。鍵合頭以亞微米精度靠近基板，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力變化，一旦接觸即切換至壓力和位置共同控制模式。

隨后，鍵合頭迅速加熱至300°C以上，使錫球熔融，并通過精確位置控制確保每個(gè)凸點(diǎn)鍵合，同時(shí)補(bǔ)償熱膨脹影響。最后快速冷卻至錫球熔點(diǎn)以下完成鍵合。整個(gè)過程中，設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、應(yīng)力和位移，要求亞微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度和快速溫變控制，加熱溫度變化率可達(dá)100°C/s，冷卻溫度變化率約為-50°C/s。

應(yīng)用領(lǐng)域與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

熱壓鍵合工藝具有高精度、高可靠性、靈活性和高效性等優(yōu)勢(shì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)芯片與基板的精確對(duì)齊和原子級(jí)金屬鍵合，形成牢固的電氣和機(jī)械連接，承受更大的機(jī)械和熱應(yīng)力。該技術(shù)適用于多種材料和結(jié)構(gòu)，如芯片到基板、芯片到晶圓等不同形式，并可與其他封裝技術(shù)結(jié)合，提升整體封裝效率。

在應(yīng)用方面，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于3D集成電路集成、倒裝芯片鍵合和混合鍵合等領(lǐng)域。在3D IC中，它支持垂直芯片堆疊，提高集成度和性能；在倒裝芯片中，能實(shí)現(xiàn)更小的焊料凸塊，減少互連尺寸并改善電氣性能；與混合鍵合結(jié)合時(shí)，可消除底部填充需求，直接金屬接觸，提升性能并縮小尺寸，適用于高性能計(jì)算和人工智能等前沿領(lǐng)域。

發(fā)展挑戰(zhàn)與未來展望

熱壓鍵合技術(shù)面臨成本高、技術(shù)挑戰(zhàn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等問題。高精度設(shè)備和復(fù)雜工藝導(dǎo)致封裝成本較高，同時(shí)需不斷提升鍵合精度和可靠性以應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展。未來，通過技術(shù)創(chuàng)新、工藝優(yōu)化、與其他封裝技術(shù)融合以及拓展應(yīng)用領(lǐng)域，如高性能計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)，熱壓鍵合有望進(jìn)一步推動(dòng)半導(dǎo)體封裝進(jìn)步。

國(guó)產(chǎn)設(shè)備廠商已開始布局研發(fā)，但與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距。隨著HBM國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程推進(jìn)，國(guó)內(nèi)將迎來熱壓鍵合技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)的歷史機(jī)遇，預(yù)計(jì)會(huì)有更多科研機(jī)構(gòu)和半導(dǎo)體設(shè)備公司涌入這一賽道，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新動(dòng)力。