打线键合·比头发还细的金线
芯片表面那一圈小小的金属焊盘，要和外面的引脚或基板接通。最古老、最便宜、至今用得最多的办法，就是用一根比头发细几倍的金属线，一头焊在芯片上，一头焊在引脚上。这一页讲清楚这根线是怎么“缝”上去的，用什么材料，以及它的极限在哪里。
贝尔实验室的“压一压就粘住了”
晶体管越做越小，手工焊锡已经焊不上去了。
1950 年代，晶体管刚从实验室走向工厂。它的电极只有零点几毫米大，用烙铁和焊锡去接，不是焊不上，就是把这块小小的半导体烫坏。工程师需要一种不用焊锡、不用高温熔化，也能让金属牢牢接在一起的办法。
1957 年，贝尔实验室的 O. L. Anderson、H. Christensen 和 P. Andreatch 发表了热压键合（thermocompression bonding）：把一根细金线压在加热的金属表面上，在温度和压力的共同作用下，两块金属的原子互相“串门”，界面就长在了一起，全程都不需要熔化。这就是打线键合的起点。
它有多细？下面按真实比例画出一根头发和几种常见的键合线：
← 左右滑动查看 →
- 1957
热压键合：贝尔实验室发表用热和压力把金线接到半导体上的方法。
- 1960s
超声楔焊：用超声波振动代替高温，常温就能把铝线焊上，至今仍是功率器件的主力。
- 1970s
热超声球焊：把热、压力、超声三者结合，金线球焊成为集成电路的标准做法；自动打线机开始普及。
- 1990s
细间距：焊盘间距从 100 µm 左右一路缩到 60 µm 以下，叠层芯片开始流行。
- 2008
铜线替代金线：这一年前后金价飙升，封装厂大规模改用铜线和镀钯铜线；据行业统计，2010 年代中期起铜系键合线的用量已超过金线。
- 今天
量产焊盘间距约 35–40 µm；存储芯片叠到 16 层仍靠打线；高端处理器则改用倒装芯片。
一根针、一个火花、三种能量
球焊是最常见的打线方式，先认识工具，再一步步看它怎么焊。
主角：劈刀
打线机的“针”叫劈刀（capillary）：一根陶瓷做的细管，中心有一个比线略粗的小孔，线从孔里穿出来。劈刀装在一根超声换能杆的末端，换能杆能以每秒几万到十几万次的频率做微小的来回振动。劈刀上方是线夹，需要时夹住线；旁边还有一根打火杆，负责放电烧球。
- 1键合线：从线轴上送下来，金、铜或银合金。
- 2线夹：夹紧时线不能动，用来扯断线尾。
- 3超声换能杆：把电信号变成高频振动，传给劈刀尖。
- 4劈刀：陶瓷细管，孔径只比线粗一点。
- 5劈刀尖：内侧有一圈倒角，压出第二焊点的“月牙”。
- 6自由空气球（FAB）：线尾熔成的小球，直径约为线径的 1.5–2 倍。
- 7打火杆（EFO）：放一个高压电火花，把线尾烧成球。
六步焊一根线
点下面的按钮一步步看（也可以点“自动播放”）。整个过程在机器上只要几十毫秒。
第一焊点和第二焊点的形状完全不同：第一个是被压扁的球，所以这种方法叫球焊（ball bonding）；第二个是劈刀边缘压出的月牙（stitch）。球焊的好处是“不挑方向”：第一点是圆球，线从球上往哪个方向拉都行，机器只要转动平台，就能飞快地焊完四面八方的线。
三种能量缺一不可
球焊之所以能在不熔化的情况下把两块金属“长”在一起，靠的是下面三样东西同时出力：
热
加热台把芯片和引线框架烤到约 150–220 °C。金属变“软”，原子更容易扩散。
压力
劈刀把球往下压，让两块金属紧紧贴在一起，挤开表面的杂质。
超声
劈刀尖每秒来回摩擦几万到十几万次，擦掉铝焊盘表面的氧化膜，露出新鲜金属。
三者合起来叫热超声键合。界面上的金和铝原子互相扩散，形成一层很薄的金属间化合物（IMC），这就是“焊住了”的本质。和焊锡不同，整个过程中线和焊盘都没有熔化。
另一种方法：楔焊
楔焊（wedge bonding）不烧球。工具是一把扁扁的“楔子”，线从它侧面斜着穿到底下，用超声把线直接压扁在焊盘上。它通常用铝线，可以在常温下进行，两端都是扁平的楔形焊点。缺点是有方向性：线只能顺着楔子的方向拉，机器要转动工件，速度比球焊慢。
← 左右滑动查看 →
| 线材 | 常见用法 | 好处 | 麻烦 |
|---|---|---|---|
| 金（Au） | 球焊，过去几十年的标准 | 不氧化、软、好焊，工艺窗口宽 | 贵；和铝焊盘高温下会长出脆化合物 |
| 铜（Cu） | 球焊，2008 年后大规模替代金 | 便宜得多，导电导热比金好，化合物长得慢 | 易氧化，烧球要通保护气；硬，容易压坏焊盘；怕潮湿腐蚀 |
| 镀钯铜（PdCu） | 今天的主流铜线 | 表面一层钯防氧化，工艺更稳 | 比裸铜贵一点 |
| 银合金（Ag） | LED、部分存储芯片 | 比金便宜、比铜软，反光好 | 有电迁移和硫化风险 |
| 铝（Al） | 楔焊，功率器件 | 和铝焊盘同种金属，可做很粗 | 做不了球焊，速度慢 |
线怎么“走”：弧形与叠层
线不是随便拉的。打线机按程序控制每根线的弧形（loop profile）：先竖直往上，再弯折，再落下。弧太高会顶到塑封外壳，太低会碰到芯片边缘造成短路。手机芯片越做越薄，弧也越压越低。存储芯片还会把好几片芯片像台阶一样错开叠起来，每一层都从露出的台阶上打线。
← 左右滑动查看 →
一台机器，换个程序就能接任何芯片
打线最大的本事不是“快”，而是“不挑”。
在打线普及之前和同时，人们也试过别的连接方式：比如贝尔实验室 1960 年代的梁式引线（beam lead），在晶圆上直接长出金属悬臂；以及 1970 年代的载带自动键合（TAB），把铜引线做在一卷塑料带上，一次压上所有焊点。它们都需要为每种芯片定制专门的结构，改一次设计就要重新开模。
打线则完全不需要动芯片：芯片上只要有普通的铝焊盘，打线机读入一份坐标文件，就能把它装进 DIP、QFP、QFN、BGA 或SiP。同一颗芯片换个封装，只改程序。这种灵活性让它成为整个封装行业的“通用工具”。
| 打线键合 | 载带自动键合 TAB | 倒装芯片 | |
|---|---|---|---|
| 连接点在哪 | 只能在芯片四周 | 只能在芯片四周 | 整个芯片表面 |
| 典型间距 | 约 35–60 µm | 约 20–50 µm | 约 100–200 µm（铜柱、微凸点可更细） |
| 芯片要不要改 | 不用，普通铝焊盘即可 | 要做金凸点 | 要做凸点和重布线 |
| 换封装的代价 | 改程序 | 重做载带 | 重新设计基板 |
| 一根连接的电感 | 约 1–5 nH | 约 1–3 nH | 不到 0.1 nH |
| 成本 | 最低 | 中等 | 较高 |
| 今天在哪用 | 绝大多数芯片 | 显示屏驱动（COF）等少数场合 | CPU、GPU、手机 SoC |
工厂里有几十万台打线机在运转，工艺参数积累了六十多年。只要芯片对速度和引脚数的要求不太极端，打线几乎总是最划算的选择。
线只能从边上走，而且每根线都是一个小电感
芯片越快、引脚越多，打线就越吃力。
数量极限：焊盘只能排一圈
打线的焊盘必须排在芯片四周，劈刀才能扎下去。芯片边长固定，焊盘间距再小也有底线（劈刀尖要放得下，线之间不能碰），量产大约 35–40 µm。倒装芯片把凸点铺满整个表面，即使间距大得多，数量也能远远超过打线。动手算一算：
速度极限：每根线都是一个小电感
一根键合线的电感大约是每毫米 1 nH（纳亨）。电感就像水管里的“惯性”：电流想快速变化时，它会拼命阻拦。一根 3 mm 长的线约 3 nH，对 5 GHz 的信号来说，阻抗高达约 94 Ω（计算：2π × 5 GHz × 3 nH），信号会被严重反射和削弱。供电也一样：芯片的电流在纳秒内剧烈跳动，长线会让电压上下“晃”，这叫同步开关噪声。所以 CPU、GPU、高速 SerDes 早就离开了打线。
另外，打线是一根一根焊的。一颗有 1000 根线的芯片，按每秒 20 根算也要 50 秒，而倒装芯片的所有凸点是一次回流焊同时完成的。
可靠性：几种典型的“死法”
← 左右滑动查看 →
- 只能走四周焊盘数量受芯片周长限制，几百到一两千个基本到顶。
- 线有电感约 1 nH/mm，高频信号和大电流供电都吃亏。
- 一根一根焊串行工艺，线越多越慢；倒装是一次焊完所有凸点。
- 冲线与短路线又细又长时，塑封料流动会把线冲弯，相邻线碰到即短路。
- 界面老化金铝化合物和空洞让焊点变脆；铜线的化合物长得慢，但怕潮湿和卤素腐蚀。
- 铜线太硬铜比金硬，压得太狠会把焊盘下面的介质层压裂（弹坑），对焊盘结构有要求。
优点
- 成本最低，设备和工艺极其成熟
- 不用改芯片，普通铝焊盘就能焊
- 灵活：换封装、换引脚顺序只改程序
- 能跨层连接，适合叠层芯片
- 线有弹性，能缓冲一部分热应力
缺点
- 只能从芯片四周引出，数量有上限
- 线长 1–5 mm，电感大，速度受限
- 逐根焊接，线多时慢
- 热量不能经由键合线有效导出
- 冲线、界面老化等可靠性问题
高端让位，出货量依旧第一
打线没有退役，只是退出了最快、最热的那一小撮芯片。
1990 年代末起，CPU、GPU 这类高性能芯片陆续改用倒装芯片：凸点铺满整个表面，路径短到几十微米，热量也能从芯片背面直接散出去。今天的手机 SoC、AI 加速器更是走向了中介层和混合键合，打线早已不在这个赛场上。
但如果按颗数算，世界上大多数芯片仍然是打线的。据多家行业机构估计，打线封装大约占全部封装出货量的七到八成：电源管理芯片、单片机、传感器、存储芯片、LED、功率器件、汽车电子，数量动辄以百亿颗计，它们要的正是便宜和可靠。
铜和银继续替代金
镀钯铜线已是主流；对可靠性要求最高的车规和医疗产品中，金线仍保留一席之地。2025 年金价再创新高，据报道又推动了一轮改铜。
更细的线，更密的焊盘
15 µm 线、30 µm 级焊盘间距在研发和小批量中；绝缘涂层线可以让线交叉而不短路，提高布线自由度。
叠得更高
NAND 和 DRAM 的叠层封装靠台阶式打线连接多层芯片，同时也在部分产品中引入硅通孔和混合键合。
线换成片和带
大电流 MOSFET 和电动车功率模块改用铜夹片（clip）、铝带或铜带，以及银烧结，电阻和电感都比一排细线小得多。
手机充电器里的协议芯片、电源芯片，无线耳机里的蓝牙芯片和传感器，大多是 QFN 或小 BGA，里面都是打线。
手机和电脑里的闪存颗粒，把 8 层甚至 16 层芯片叠在一起，靠一级一级的打线连接。
LED 灯珠里，透过黄色荧光胶常常能看到那根细细的金线或银线。
自测题
1. 球焊靠哪三种能量把线焊上？它和锡焊最大的区别是什么？
热（约 150–220 °C）、压力、超声振动。三者让金属原子在界面互相扩散，形成金属间化合物。整个过程线和焊盘都不熔化，锡焊则是把焊锡熔化后再凝固。
2. 为什么第一焊点是球，第二焊点是月牙？
第一焊点前，打火杆先把线尾烧成一个球，劈刀把球压扁在芯片焊盘上。第二焊点不再烧球，劈刀尖边缘直接把线压扁在引脚上并切断，留下月牙形的印子。
3. 2008 年以后，封装厂为什么大规模把金线换成铜线？要付出什么代价？
金价暴涨，铜便宜得多，导电导热还更好。代价是铜容易氧化，烧球时要通保护气或改用镀钯铜线；铜更硬，容易压坏焊盘；在潮湿和含卤素的环境里更容易腐蚀。
4. 一根 3 mm 长的键合线大约有多少电感？对 5 GHz 信号意味着什么？
约 3 nH。阻抗约 2π × 5×10⁹ × 3×10⁻⁹ ≈ 94 Ω，远高于常见的 50 Ω 传输线，信号会被大量反射和削弱。所以高速芯片要用倒装，把路径缩短到几十微米。
5. 10 mm 见方的芯片，40 µm 间距单排焊盘大约能放多少个？换成 150 µm 间距的倒装凸点呢？
打线：每边约 (10 − 0.4) mm ÷ 0.04 mm ≈ 240 个，四边约 960 个。倒装：每边约 66 个，铺满约 4400 个，是打线的 4 倍多，而且凸点间距宽松得多。
资料来源
- O. L. Anderson, H. Christensen, P. Andreatch, “Technique for Connecting Electrical Leads to Semiconductors,” Journal of Applied Physics 28, 923 (1957)。
- George Harman, Wire Bonding in Microelectronics, 3rd ed., McGraw-Hill, 2010（球焊、楔焊、金铝化合物、柯肯达尔空洞、铜线可靠性）。
- Kulicke & Soffa、ASMPT 等打线机厂商公开的产品与工艺资料（打线速度、细间距能力）。
- Heraeus、Tanaka 等键合线厂商的技术资料（金、铜、镀钯铜、银合金线的特性）。
- MIL-STD-883 Method 2011（键合拉力测试）；JEDEC JESD22-B116（推球测试）。
- Yole Group、TechSearch International 等关于打线与倒装封装出货占比的行业报告摘要（具体比例各家估计不同）。
- Wikipedia: Wire bonding；Thermosonic bonding；Purple plague (intermetallic)。