芯耀
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传统芯片封装以单裸片架构为主，依赖片上互连传输信号，通过键合连接将裸片焊盘引至封装引脚，然后再焊接至印刷电路板。先进封装技术则实现了在单个封装内集成多个组件。现在所说的的一个芯片可能是指内部包含了很多个裸片的单个封装。这样，封装内部的多个组件之间需要在内部先完成互连，然后将少量信号传输至外部引脚。这就促使封装内的互连从简单的引线连接发展为三维互连体系。
先进封装内的互连技术可以概括为两个部分：键合技术，以及各种互连结构。键合技术用于固定裸片或封装基板，而其他互连结构则提供相当于导线的连接功能。
图：各种键合技术
键合技术自芯片产生就已出现。总体而言，键合技术包括三种类型：
·引线键合(wire bonding)：用导线连接两个焊盘，这是历史最悠久的键合技术，至今仍广泛用于小尺寸裸片；
·C4球、凸点、微凸点和柱状键合(C4 ball/bump/microbump/pillar bonding)：主要应用于需要更多连接且无法仅通过裸片外围实现的大尺寸裸片。球键合通常用于封装与PCB之间的连接；凸点键合常用于裸片与基板之间的连接，是目前最常用的键合技术；微凸点键合则用于将一个裸片堆叠在另一个裸片上；柱状键合与凸点键合类似，只是形状不同。
·直接键合(direct bonding)：包括业界当前最关注的混合键合(hybrid bonding)。它直接连接两个裸片或晶圆，无需导线或凸块等中间材料。该技术并不是一个新技术，但因能够提供极窄间距而重新受到关注。
芯片传统封装通常由基板、引线框架、芯片以及塑封料或其他封装结构组成。先进封装则基于此架构增加了更多的元素，如焊球（ball）、凸点(bump)、微凸点(microbump)、中介层(interposer)等。一个典型的先进封装通常都包含了基板和中介层，元件安装在中介层上并形成互联。微凸点将裸片连接到中介层，再通过凸点将中介层连接到基板，最后再通过焊球将基板连接到?PCB。
本文将主要归纳整理各种键合技术，关于封装内部互连结构中的元素，如基板、中介层和硅桥等，请参考另一篇文章《【先进封装】基板、中介层和硅桥：从概念到技术焦点详解》。
引线键合
引线键合通过金属导线连接裸片焊盘与封装基板或引线框架。小型封装多采用金属冲压/蚀刻成型的引线框架，其预置焊盘与引脚位置通过临时连接保持机械稳定性，封装完成后移除。大型球栅阵列（BGA）封装则连接至基板。
引线键合技术需同时满足物理强度与电气性能要求，既要能承受芯片生命周期内的机械应力，还能提供稳定的导电通路。塑料封装可通过模塑化合物固定导线，气密封装则需导线自身保持连接的可靠性。而且导线不能简单地“粘”在焊盘上，而是需要额外工艺来形成类似焊点的连接。连接之后还需要清洁焊盘表面，以去除可能残留的任何材料或氧化物，从而保证电气连接。
生产中常见的引线键合方法有三种：
·超声波键合：应用超声波配合垂直压力，通过表面摩擦去除氧化物层；
·热压键合：采用高温代替超声波实现连接（注意，这与C4工艺中的热压键合不同）；
·热超声键合：综合温度、压力与超声波，实现更高可靠性的连接。
实现引线键合的材料和工艺主要包括两种：楔形键合和球键合。前者通常使用铝线，后者通常使用金线。
楔形键合
楔形键合已应用了几十年，用于将焊盘连接到金属引线框架。它主要采用铝线材料，虽然铝不是最佳导体，但其导电性足够好，且成本低廉、易于加工。
工艺实施时，先将导线由夹具固定，另一段放在目标焊盘上；楔形工具对导线施加超声振动，利用超声键合将导线固定在首焊盘上，完成连接；随后释放楔形工具，沿导线移动到次焊盘上方，形成次焊盘键合并剪断导线。
该技术存在关键约束：键合方向必须与导线走向一致，侧向拉力可能导致连接失效。
图：楔形键合示例（超声键合中涉及的元素及工艺过程）
球键合
球键合的出现突破了楔形键合的方向限制，提高了生产效率。球键合以金线为主导材料，是当今最广泛使用的技术。它通过电弧熔融在导线末端形成球状结构，然后通过压力、高温和超声振动将球固定在首焊盘上；将导线引至次焊盘后，毛细管（用于放置导线的工具）以类似于楔形键合的方式将导线压接至焊盘，这种方法称为缝合键合。注意，球键合仅在导线一端有球状结构，且支持多球堆叠以增加连接高度。
图：球键合示例
引线键合也可用于堆叠多个裸片，但要求每个裸片位于下方裸片的焊盘环内。
图：引线键合用于堆叠多裸片
C4键合
BGA等封装也可以通过引线键合组装，但通常连接到基板上的焊盘而非引线框架。当BGA需要超出周边排布的高密度连接时，倒装芯片技术成为首选方案。与引线键合不同，倒装芯片封装采用C4键合工艺，它将裸片翻转，使有源层贴近基板；然后通过焊球替代金属线实现连接。
其工艺流程可以简单描述为：
1.裸片加工完成后，在其焊盘上形成焊球结构；
2.基板焊盘涂覆助焊剂后，倒置裸片并精准对位放置，使焊球落在焊盘上；
3.然后通过回流焊使焊球部分熔融，通过受控塌陷连接（Controlled-collapse chip connection，即C4），使裸片键合在基板上；
4.连接完成后需填充底部间隙材料以提高可靠性。将材料渗入裸片与基板间隙，缓解热膨胀系数差异导致的内应力，同时提升散热效率。
C4键合中的键合点存在多种形式，如球状的焊球（ball）、凸点（bump）和微凸点（microbump），以及柱状（pillar）凸块等，从而实现多级应用中不同尺寸和密度的连接。例如：封装底部通过较大的焊球连接PCB；封装内部，通过凸点（小于封装外部的焊球）连接裸片与基板；在3D堆叠中则利用更小尺寸的微凸点实现裸片间连接。
但微凸点的尺寸不可能无限缩小：凸点间过小的间距可能导致回流焊时焊球桥接；此外凸点尺寸还决定了裸片与基板之间的间隙，如果间隙过窄会阻碍底部填充材料的流动。柱状键合则通过提供更容易控制的间距和间隙解决了这个问题。与球体不同，圆柱体的高度和直径可以独立控制，从而提供了两个自由度。同一个晶片可混合使用微凸点与柱状凸块，例如短距离部分区域通过微凸点连接下层晶片，悬空区域则通过更高的柱状凸块连接中介层。
图：在焊盘上形成凸点的流程
（该过程类似于典型的金属沉积，但最后的回流步骤形成了球状）
图：微凸点与柱状凸块混合键合方式
热压键合
热压键合（TCB）是基于C4键合进行优化得到的更先进工艺。它保留了焊球结构但革新了工艺，采用局部加热加压法，解决了C4键合在大规模/高密度互连时的局限性。
C4键合工艺虽然成本低廉且快速，但也存在若干缺陷，尤其对于采用高密度微凸点且间距小的芯片。这类芯片需要更高精度的对位，以防止在标准回流过程中发生裸片偏移。此外，由于回流工艺需在加热炉中进行，整个电路板都会受热，冷却时的热失配效应可能导致键合强度下降或基板翘曲。若裸片或基板存在平整度偏差，部分键合点可能形成弱连接。同时，铝等金属表面形成的氧化层也必须被穿透才能确保良好的电气接触。
热压键合（TCB）就是针对这些问题提供的解决方案。与传统整体回流加热基板的方式不同，该工艺仅对芯片及其焊球局部加热，从顶部开始对每个芯片单独施加热量和压力（注意：不同于前文所述的引线键合热压工艺），因此可以显著降低翘曲风险。而且，其主动压力控制的高精度对位特性可确保键合过程中的裸片位置固定。该技术既能用于堆叠多颗裸片，也可实现单颗裸片与基板的键合。
TCB工艺主要采用铜和铝材料，亦可使用金材料。高带宽存储器（HBM）广泛采用热压键合技术进行裸片堆叠，缩小堆叠裸片间距以降低整体高度，同时改善了散热性能。
在传统TCB和回流焊的基础上，现在还出现新的无助焊剂TCB技术。该技术创新性地采用等离子体处理与可控还原气氛相结合的方式，在无需助焊剂的条件下实现了高洁净度的金属键合。有关无助焊剂TCB技术的详细信息，可参考另一篇文章：【先进封装】关键工艺技术对比：无助焊剂TCB vs.混合键合
混合键合
混合键合（Hybrid Bonding）是当前先进封装中最新的热点，主要用于裸片间互连，目前已达0.5μm间距水平。其核心在于消除焊料等中间材料，实现焊盘与周围氧化物的紧密连接。“混合”一词源于它同时通过氧化物和金属形成键合。金属键合提供出色的信号连接和机械稳定性，氧化物键合仅提供机械稳定性。通常所说的直接键合（direct bonding）也是类似的工艺，但仅指通过焊盘键合。
混合键合的关键工艺步骤可以简述如下：1.沉积一层厚氧化物介电层（通常为SiCN，或者SiO2）；2.蚀刻焊盘孔洞并通过镶嵌工艺填充铜；3.化学机械抛光（CMP）使铜表面凹陷低于介电层5nm，这是形成光滑和清洁表面以形成键合的关键步骤；4.氮等离子体活化提升表面亲水性；5.超洁净清洗后实施室温预键合，氧化物表面首先接触，在室温下保持约半小时；6.最后加热进行相对低温的退火步骤（通常不超过300°C），此时铜从两边开始膨胀并在中间相遇并键合。（注意，如果在CMP步骤中铜凹陷过多，两个焊盘可能无法膨胀到接触，从而无法形成键合）混合键合流程中，CMP、活化和清洗步骤需要确保键合表面尽可能光滑、无颗粒，以促进可靠的键合。
图：简化混合键合工艺流程
需要注意的是，键合晶圆冷却后，膨胀的铜会试图收缩，但由于键合非常牢固，因此会在连接内部产生应力，这可能导致晶圆翘曲。如果应力过高，键合可保持完整，但介电层或金属层会从底层硅剥离。当然，这种情况较为少见。混合键合已在少量应用中成功部署多年，目前还在不断的改进以实现批量商业应用。
晶圆对晶圆、裸片对晶圆（Wafer-to-wafer or die-to-wafer）混合键合可以通过多种方法实现，如：晶圆对晶圆、裸片对晶圆。晶圆对晶圆键合最为简单，是在两片晶圆尚未切割时进行。这种方式对双晶圆良率都要求极高，若晶圆良率过低，导致过多不良裸片与优质裸片键合，就会使键合后的裸片组合无法通过测试。
针对良率欠佳的晶圆，一种解决方案是先在单晶圆上制备裸片，再将已知合格裸片重新组装成类晶圆结构（但裸片间无连接）。若第二片晶圆良率较高，则可通过"集体裸片对晶圆键合"工艺与之键合。此工艺的难点在于：重组晶圆并非单一硅晶体，其构成裸片可能存在微观位移，从而导致对准偏差。最精密但最缓慢的工艺，是将已知合格的单个裸片逐一键合至完整晶圆的合格位点上。这种方式可实现每个裸片的独立对准。
目前混合键合仅应用于少数领域（如新型闪存和部分图像传感器），尚未实现大规模商用，仍有大量研发工作持续推进。该技术有望实现更精细的连接间距，从而支持更宽的总线连接。结语不同的键合技术具有不同的互联尺寸（diameter，如焊球直径）和间距（pitch）。下图列出了本文涉及键合技术的键合能力，高端值代表了成熟量产的工艺，低端值则反映了尚未大规模生产的先进工艺。
封装内互连技术已从简单的信号转接，发展为决定系统性能的核心要素。随着混合键合、光互连等技术的成熟，互连密度将逼近物理极限，推动半导体进入"封装定义系统"的新时代。半导体行业需要在材料、工艺和架构等多个维度不断协同创新，才能满足AI时代对带宽、能效的指数级增长需求。
*参考资料：
Semiengineering/?On?Die?and?In?Package?Interconnects?eBook?2025
*作者：Felina Wu
