电子封装与键合技术：制程产业的最后一步

产业研究中心 电子封装与键合技术：制程产业的"最后一步" 摘要：键合技术革新驱动半导体后摩尔时代 纳米银烧结、高分子基金属复合材料等新型材料加速落地，解决传统键合材料热膨胀系数匹配难题。 混合键合、无助焊剂键合等技术成熟，推动3D封装、异构集成向高密度、高可靠性方向突破。 刘峰(研究助理)0755-23976068liufeng6@gtht.com登记编号S0880124060013 5G、AI、汽车电子等领域对芯片散热效率、信号传输速度提出更高要求。摩尔定律趋缓下，先进封装成为提升算力性价比的唯一路径。 国际主导与国产突围并行 沃兰特完成B加轮融资，五家上市公司参与投资——低空产业跟踪24期2025.11.17日臻成熟，国内养宠步入结构升级新阶段2025.11.14星辰空间完成A2轮融资，聚焦航天领域大功率霍尔电推——低空产业跟踪23期2025.11.13AI与区块链协同发展，迈向Agent自主数字经济2025.11.12梦天家居同步筹划跨界并购和控股权转让，川土微拟曲线上市——产业并购跟踪14期2025.11.10 ASM PACIFIC、K&S等国际厂商在高端混合键合设备领域占据主导地位 国内企业依托中低端市场积累，逐步切入高带宽存储器（HBM）、功率半导体等高端赛道，但关键设备与材料仍依赖进口。 技术自主可控成产业竞争焦点 加大半导体产业链投资，封装技术成为突破“卡脖子”环节的关键突破口。先进封装与键合技术被视为半导体产业下一阶段增长引擎，资本与资源加速向该领域倾斜。 风险提示：技术研发不及预期风险，模型迭代速率受影响、落地不及预期风险、销售不及预期等。 目录 1.电子封装：芯片的“保护壳”与“连接器”.....................................................32.键合技术：封装环节的“核心工艺”.................................................................32.1引线键合..........................................................................................................32.2倒装芯片键合..................................................................................................42.3热压键合..........................................................................................................42.4混合键合..........................................................................................................53.键合材料选择与新兴技术多场景优化.................................................................54.键合系统失效模式.................................................................................................75.混合键合技术驱动3D芯片与高带宽存储革新..................................................86.后摩尔时代的键合技术：材料+工艺+应用三重突破........................................97.国际巨头主导高端市场，国内厂商加速国产替代.............................................97.1海外领先企业：技术壁垒与市场垄断........................................................107.2国内厂商：中低端突围与高端追赶............................................................108.先进封装技术推动全球市场高速增长...............................................................129.风险提示..............................................................................................................12 1.电子封装：芯片的“保护壳”与“连接器” 电子封装是指将集成电路芯片与外部系统连接并保护的工艺过程。封装的主要功能包括物理保护、电气互连、散热管理和环境隔离，确保芯片在复杂应用环境中稳定可靠地工作。随着芯片集成度不断提高，封装技术也从早期的简单保护逐渐演变为提升芯片性能的重要手段。 半导体产业链中，封装环节位于晶圆制造之后，是芯片产品化的关键步骤。封装过程通常包括晶圆减薄、切割、固晶、键合、塑封、电镀等工序。传统封装主要由5个部分组成：芯片、引线框架、胶体黏结、焊线和塑封成型，通过胶体将芯片固定在框架上，通过焊线实现芯片与外部管脚的电连接，通过塑封成型对内部进行保护并实现热传递。 封装技术的发展史是芯片性能不断提高、系统不断小型化的历程。从1955年开始主流的TO封装，到1965年转变为双列直插式封装(DIP)，再到1980年开始表面贴装技术(SMT)逐步取代通孔插装技术(THT)，以及1995年后球栅阵列(BGA)、倒装芯片(FlipChip)、芯片尺寸封装(CSP)成为封装技术的第二次重大变革，2010年起晶圆级封装(WLP)、面板级封装(PLP)、2.5D/3D封装等先进封装成为第三次重大变革。封装技术正从"保护与连接"向"功能集成与系统重构"演进，成为半导体产业后摩尔时代的核心技术路径。 据统计，2021年全球封装市场规模约320亿美元，2027年有望达到650亿美元。其中，先进封装价值日益显现，2021年全球先进封装市场占比达到整体集成电路封装服务的44%，年营业收入约为350亿美元。据中商产业研究院预测，2026年先进封装市场占比将超过传统封装规模，成为半导体封装的主流技术。 2.键合技术：封装环节的“核心工艺” 键合技术是电子封装的核心工艺之一，直接决定了芯片的电气性能、可靠性和成本。键合工艺通过热、压力或超声波能量，将芯片焊盘与基板或引线框架实现电气连接，是芯片产品化的关键步骤。随着芯片集成度不断提升和电子产品小型化趋势加剧，键合技术的重要性日益凸显。 目前业界主流的键合方式主要包括四种：引线键合(WireBonding)、倒装芯片(FlipChip)、 热 压 键 合(ThermalCompressionBonding,TCB)和 混 合 键 合(HybridBonding)。这四种键合技术各有特点，适用于不同的应用场景和性能需求。 2.1引线键合 引线键合是最传统、应用最广泛的键合技术，使用金属线(金、铜或铝)将芯片焊盘与基板连接。引线键合工艺主要包括准备、键合和检测三个阶段。其中，键合方式又分为球形键合(BallBonding)和楔形键合(WedgeBonding)两种。引线键合的优势在于工艺成熟度高、设备成本低、灵活性好，适合规模化生产。然而，其局限性也十分明显：芯片周边的引线布置占用大量封装空间，导致封装尺寸较大；较长引线会降低电气性能，尤其在高频应用中表现突出；引线间距的要求制约了互连密度的 进一步提升。 2.2倒装芯片键合 倒装芯片键合起源于20世纪60年代，由IBM率先研发。该技术将芯片正面朝下，通过凸点(Bump)直接与基板连接，取代了传统的引线键合方式。倒装芯片采用区域阵列式分布的连接方式，大大提高了互连密度，缩短了信号传输路径，显著提升了封装性能。倒装芯片技术也被称为倒装键合或覆晶接合。然而，由于整个芯片封装都放入回流炉中，芯片、基板、焊球以不同的速率膨胀，从而发生翘曲导致芯片不能很好地被粘合，熔融焊料还可能扩散到其指定区域之外，造成短路问题。 2.3热压键合 热压键合(TCB)是通过高温高压实现金属间连接的技术，无需焊料，适用于高密度场景。热压键合工艺流程相对简单，主要是在芯片侧对Bump升温加压，使其与基板实现物理连接。英特尔公司最早选择了基于基板的热压键合工艺以替代传统的回流焊，由英特尔和ASMPT公司联合开发，并于2014年导入量产。热压键合确保均匀粘合，没有间隙变化或倾斜，减少了基板翘曲问题。当互连间距缩小到10μm以下时，传统热压键合需要使用助焊剂来降低键合互连故障，但助焊剂会变得更难清除，并会留下粘性残留物，导致互连发生微小变形，造成腐蚀和短路。因此，库力法索于2023年推出无助焊剂键合技术，在真空或惰性气体环境(如氮气或氩气)中运行，以防止键合过程中发生氧化。 请务必阅读正文之后的免责条款部分4of15 数据来源：艾邦半导体网 2.4混合键合 混合键合(HybridBonding)是结合热压与超声波技术的先进键合方式，通过化学结合实现无引线连接，进一步提升了效率和可靠性。混合键合主要用于两片器件晶圆的键合，通过表面活化、高精度对准、键合和退火实现铜铜直接连接和介质层键合，键合间距可低至1μm。混合键合不需要载片晶圆或黏合剂，也不需要TSV即可使两片芯片实现连接，是3D集成和异构集成的重要技术支撑。法国原子能委员会电子与信息技术实验室(CEALATI)与EVG公司合作，于2017年率先实现12英寸晶圆的混合键合，其混合键合中的金属接触块的材料是Cu，金属接触块的间隔约为1μm。 3.键合材料选择与新兴技术多场景优化 键合技术的进步与材料创新密不可分。理想的键合引线材料应具备接触电阻小、导电性好、化学稳定性高、机械性能好和能维持稳定形状等特点。然而，不同材料在键合过程中面临不同的挑战，需要根据应用场景选择合适的键合技术与材料组合。 金线作为最早的键合材料，化学稳定性好、抗拉性能强，工艺成熟可靠。然而，金线的缺点在于其金属间化合物(IMC)易于过度生成，降低机械强度。此外，金线成本高昂，难以满足大规模生产需求。根据材料特性对比表，金线导电性高、成本高、耐久性高，主要应用于消费级芯片和早期封装领域。 铜线因其高导电性、中等成本和良好的机械性能，逐渐成为现代消费产品的主流选择。铜线的硬度大，键合时需要更大的键合压力和超声功率。对于相同尺寸的键合点，铜键合的剪切力和拉力也略高于金丝。但与此同时，大应力参数的施加也会加重芯片本身的裂纹风险。对需要走大电流的器件或模块而言，Cu键合拥有更高的抗疲劳特性，可通过更长时间的功率循环试验，保障更长时间的产品寿命。铜线键合工艺中需要注入氮氢混合气体来降低氧化风险，这是与金线键合的重要区别。 铝线一般采用超声键合法在常温条件下进行，无需额外加热，在劈刀上施加超声 功率，负荷的同时破坏结合面表面的氧化层，使金属紧密接触。铝线使用的劈刀不同于金线和铜线。铝线键合的主要优势在于其良好的抗腐蚀性能和高电流承载能力。普通金属丝在极限电流下会形成类似于熔断器的作用，引发类似飞弧现象导致系统出现严重故障。而铝线的高电流承载能力使其成为功率器件的理想选择。通常，IGBT功率模块中使用100-500μm的Al丝作为连接。 高分子基金属复合材料作为新兴键合材料，兼具金属的高导电导热性和加工便利性。这类材料通过将金、银、铜和镍等金属掺杂到环氧树脂、丙烯酸酯树脂以及聚氯酯等高分子基体中，克服传统金属加工性差、高