超声波键合 （Ultrasonic Bonding）

超声波键合 是一种利用高频超声波能量实现材料间固态连接的精密工艺，其核心原理是通过机械振动能量在连接界面产生摩擦、塑性变形与原子扩散，最终形成牢固的冶金或机械结合。该技术无需额外焊料、焊剂，且具有低温、低损伤、高效率的特点，广泛应用于微电子、动力电池、汽车制造等高精度连接场景。

一、核心工作原理

超声波键合的本质是“能量聚焦与界面活化”，整个过程可分为4个关键阶段，依赖“机械振动-能量转换-界面作用”的闭环实现：

1. 加压定位：将待连接的两种材料（如金属引线与芯片焊盘、电池极耳与极柱）紧密贴合，通过焊头（Horn）施加一定的轴向压力，确保界面无明显间隙。
2. 超声激励：超声发生器产生高频电信号（通常为20kHz~200kHz，常见40kHz、60kHz），经超声换能器（将电能转换为高频机械振动）转换为纵向振动，再通过变幅杆（放大振动幅度，聚焦能量）传递至焊头。
3. 界面摩擦与塑性变形：焊头将高频振动（振幅通常几微米至几十微米）作用于连接界面，材料表面的微小凸起产生剧烈摩擦，瞬间形成局部高温（一般不超过材料熔点的50%~60%），使界面材料发生塑性流动，排出氧化层和杂质。
4. 原子扩散与键合形成：在压力和振动持续作用下，界面原子突破扩散壁垒，形成金属键或机械嵌合结构，振动停止后冷却固化，最终形成稳定的连接点。

二、主要分类与适用场景

根据连接对象和工艺特点，超声波键合可分为三大类，应用领域各有侧重：

1. 引线键合（Wire Bonding）
– 定义：最经典的应用形式，用于微电子封装中“芯片焊盘”与“封装引脚/基板”的电气连接，核心是将金属细线（直径10μm~500μm）两端分别键合到两个连接点。
– 常见类型：
– 球焊（Ball Bonding）：利用电火花将引线顶端熔化成小球，先键合芯片焊盘（第一键合点），再拉引线键合到引脚（第二键合点），适用于金（Au）、银（Ag）引线，精度极高（常用于CPU、传感器封装）。
– 楔焊（Wedge Bonding）：直接用楔形焊头将引线压焊到界面，适用于铝（Al）、铜（Cu）引线，多用于功率器件、汽车电子。
– 核心要求：键合点电阻低、机械强度高、耐老化（需通过拉力测试、剪切测试）。

2. 极耳键合（Tab Bonding）
– 定义：针对动力电池、储能电池的核心连接工艺，用于将电池单体的极耳（铝/铜箔，厚度0.01~0.2mm）与汇流排、极柱连接。
– 技术特点：需同时满足“低电阻”（减少充放电损耗）和“高可靠性”（抗振动、耐高低温），常见“铝-铜异种金属键合”（需解决氧化层和热膨胀差异问题）。
– 应用场景：锂离子电池、钠电池的模组/ PACK 生产，替代传统的激光焊接（避免热损伤隔膜）。

三、技术优势

优势
1. 低温连接：界面温度远低于材料熔点，避免高温导致的材料性能退化（如芯片氧化、电池隔膜熔化）。
2. 无额外辅料：无需焊料、焊剂，减少成本和污染，且避免焊料带来的电化学腐蚀风险（如动力电池）。
3. 高效精密：键合时间短（通常0.1~2秒/点），定位精度可达微米级，适配自动化生产线。
4. 连接质量稳定：形成的键合点电阻低、机械强度高，且可通过实时参数监控（如功率曲线、位移曲线）判断质量。

超声波键合的核心竞争力在于“低温精密连接”，随着微电子、新能源行业对材料损伤控制、连接效率的要求提升，其应用场景还将持续拓展。

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