VCSEL 低温、无助焊剂倒装互连：热超声路线案例
超声焊（Ultrasonic Bonding）是一种利用压力与高频机械振动能量，使金属界面发生塑性变形并形成固相连接的键合技术，优点在于无焊料（solder-free），所需温度与压力更低，键合速率更快，该工艺常用于金凸点（Au bump）倒装。
在超声焊基础上适度加热，即为热超声键合（Thermosonic Bonding）——类似热压，但因引入超声能量，键合力与温度显著降低。纯热压常需 >300°C；热超声结合热压 + 超声焊接，将温度与力大幅降至 200°C 以下，20–50 g/bump，面向对温度敏感和键合面洁净度要求高的贴装场景，实现温和、可靠、高精度的微电子连接。
一、应用案例：VCSEL 与玻璃中介层精密互连
在板级光互连中，VCSEL 与 PD 承担电信号和光信号之间的转换。为了缩短电互连路径，并将光束耦合至板上的聚合物波导，光电芯片可先倒装到透明玻璃中介层，再与驱动、接收电路及波导结构集成。这个环节既要完成电连接，也要兼顾光学面洁净、器件定位和焊后稳定性。
该研究采用 Au stud bump 热超声倒装完成 VCSEL 与玻璃基板的互连。测试装配使用 3 个金凸点，在 120°C、总力 1 N、超声功率 1 W、脉冲 500 ms 的条件下完成连接。无需助焊剂的固相工艺有助于减少光学耦合面附近的残留风险，较低的温度和较短的作用时间也为控制装配热输入提供了空间。
二、超声焊工艺难点：对得准、受得住、压得平
难点① · 贴得准，还要焊完不跑位
VCSEL 发出的光需要对准微镜，再进入波导。即使贴装时位置准确，键合过程中金凸点受压变形和超声微振动仍可能让芯片轻微移动；偏移一旦过大，进入波导的光就会减少。因此，既要求高的贴装对位精度，更要看实际焊后精度和实际光耦合效果。
难点② · 温度、压力和超声参数的精确控制
温度、压力或超声能量不足，金凸点可能连接不牢；参数过大，又可能让凸点过度变形，甚至增加芯片和薄玻璃受损的风险。工艺开发需要把温度、压力、超声功率和作用时间放在一起调试，找到既焊得牢、又不过度施力的窗口。
难点③ · 多个凸点的平整度控制：同时接触、均匀受力
多个金凸点就像桌子的几条腿：只要有一个偏高、偏低，或者吸嘴没有压平，就可能出现一边已经压紧、另一边还没接触的情况。装配前需要控制凸点高度，并确认吸嘴与基板保持平行，让每个焊点都能稳定连接。
解决方案
面向低 I/O 要求，艾科瑞思 QX5000 可提供超声焊方案：
- ±0.5μm 标准片贴装精度 —— 自主视觉系统支持 ±0.5μm 标准片贴装精度，贴装过程所见即所得的视觉支持
- 温度与力协同控制 —— 0.1–30 N 键合力与最高 450°C 工作台加热，可围绕接触力、温度和作用时间开展验证，寻找连接强度与器件保护之间的窗口。
- 超声模块按需配置 —— 针对 Au stud bump 与兼容焊盘金属化，可根据项目配置超声换能器、专用工具和工艺参数
- 定制吸嘴夹具 —— 根据芯片尺寸、出光区域、凸点数量和玻璃基板结构定制 Die Collet 与夹具，集成压平（coining）功能，兼顾取放保护、夹持刚度和受力均匀性。
- 贴装结果可追溯，复现 —— 设备支持单颗工艺参数记录与过程观测
艾科瑞思（苏州艾科瑞思智能装备股份有限公司），成立于 2010 年，总部位于苏州工业园区，是专业的半导体先进封装设备供应商，专注于装片、分选与微组装设备的研发、设计、制造和销售。
经过 16 年的行业深耕，艾科瑞思为新兴半导体材料和先进封装工艺提供新一代贴片设备——包括系统级封装（SiP）多芯片贴片机、分选机、晶圆级混合键合机（Chip-to-Wafer Hybrid Bonder，对位精度 200 nm）和倒装贴片机——服务于先进封装、IC 装配、射频/微波、光电器件和传感器等市场的专业贴片解决方案。
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参考文献
- ［1］Nieweglowski K, Tiedje T, Schöniger D, et al. Electro-optical Integration for VCSEL-Based Board-Level Optical Chip-to-Chip Communication. Proceedings of SPIE, 10325, 103250V (2017). DOI: 10.1117/12.2271046.
