在先進(jìn)半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，混合鍵合（Hybrid Bonding）作為一項(xiàng)突破性技術(shù)，正逐步成為推動(dòng)芯片集成度提升和性能優(yōu)化的關(guān)鍵手段。該技術(shù)通過(guò)直接實(shí)現(xiàn)芯片間金屬與介電層的鍵合，取代傳統(tǒng)焊料連接，為高性能計(jì)算、人工智能和存儲(chǔ)芯片等應(yīng)用提供了高密度、低功耗的互連方案。
基本概念與工藝原理
混合鍵合是一種用于芯片間（die-to-die）連接的先進(jìn)封裝技術(shù)，包括晶圓對(duì)晶圓（wafer-to-wafer）鍵合和芯片對(duì)晶圓（die-to-wafer）鍵合兩種形式。其核心在于通過(guò)金屬焊盤(pán)與周圍氧化物的直接接觸實(shí)現(xiàn)連接，無(wú)需任何填充材料如焊料。鍵合結(jié)構(gòu)由氧化物鍵合與金屬鍵合共同構(gòu)成：金屬焊盤(pán)會(huì)略微凹陷，使氧化物先發(fā)生鍵合，隨后金屬焊盤(pán)再完成鍵合。這種設(shè)計(jì)去除了焊料，提升了連接質(zhì)量與電氣性能，同時(shí)鍵合后的氧化物提供機(jī)械強(qiáng)度。
工藝原理方面，混合鍵合結(jié)合了介電鍵合和金屬互連。基本流程始于表面預(yù)處理：晶圓需經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光/平坦化（CMP）和表面活化及清洗處理，以確保表面平整潔凈且具親水性。電介質(zhì)的表面粗糙度閾值需低于0.5nm，銅焊盤(pán)則需低于1nm。
隨后進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)鍵合：在室溫下緊密貼合后，介質(zhì)SiO?上的懸掛鍵實(shí)現(xiàn)橋連，形成SiO?-SiO?間的鍵合。此步驟可能涉及熱壓鍵合或陽(yáng)極鍵合，在溫度（200-400°C）和壓力（幾十到幾百牛頓）下促使介電材料分子形成化學(xué)鍵。
初始鍵合后，通過(guò)熱退火處理（溫度通常在300°C至400°C之間）促進(jìn)介質(zhì)SiO?反應(yīng)和金屬Cu的互擴(kuò)散，形成永久鍵合。退火過(guò)程中，銅因熱膨脹系數(shù)大于SiO?而體積膨脹，使兩片晶圓上的銅相互接觸并擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)銅與銅之間的直接連接。
混合鍵合的類型與關(guān)鍵設(shè)備
混合鍵合主要分為晶圓到晶圓（Wafer-to-Wafer，W2W）鍵合和芯片到晶圓（Die-to-Wafer，D2W）鍵合兩種類型。
W2W鍵合適用于面積較小、良率較高的芯片，如CMOS圖像傳感器和3D NAND，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)準(zhǔn)和鍵合步驟分開(kāi)，顆粒更少，更加干凈，但無(wú)法執(zhí)行晶圓分類來(lái)選擇已知良好芯片，可能導(dǎo)致缺陷芯片粘合到良好芯片上。D2W鍵合適用于大芯片和異構(gòu)集成，能夠測(cè)試和鍵合已知良好芯片，提高良率，但更容易形成污染，且技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度更高，主要體現(xiàn)在亞微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度和界面共面性控制。
關(guān)鍵設(shè)備包括晶圓鍵合設(shè)備、芯片鍵合設(shè)備和表面處理設(shè)備。設(shè)備核心組件包括高精度對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、清潔模塊和等離子體激活模塊。
應(yīng)用案例與技術(shù)優(yōu)勢(shì)
混合鍵合已在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。在3D芯片堆疊中，AMD的3D V-Cache技術(shù)采用臺(tái)積電SoIC-X的die-to-wafer混合鍵合，將CPU與額外緩存芯片緊密連接，提升系統(tǒng)性能；HBM高帶寬內(nèi)存通過(guò)混合鍵合實(shí)現(xiàn)多層堆疊，增加帶寬。在異構(gòu)集成方面，該技術(shù)使不同工藝節(jié)點(diǎn)制造的芯片（如射頻芯片、傳感器、處理器）有效結(jié)合，形成高性能封裝體，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能手機(jī)。圖像傳感器領(lǐng)域，混合鍵合將像素陣列芯片與邏輯芯片分離，擴(kuò)大背照式結(jié)構(gòu)可用面積，如索尼CMOS圖像傳感器。此外，3D NAND存儲(chǔ)、汽車電子與5G通信也逐步采用混合鍵合，以滿足高集成、低延遲需求。
混合鍵合技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。首先，混合鍵合實(shí)現(xiàn)極高密度互連，互連間距可達(dá)亞微米級(jí)乃至納米級(jí)，較熱壓鍵合技術(shù)提高15倍密度，允許更多連接點(diǎn)，增加數(shù)據(jù)通信帶寬。其次，由于省去中間介質(zhì)如焊錫，直接銅對(duì)銅連接具有更低電阻，降低信號(hào)傳輸能量損失和時(shí)間延遲，速度提升11.9倍，帶寬密度提升191倍。第三，緊湊結(jié)構(gòu)和直接導(dǎo)電路徑改善熱管理，降低20%堆疊熱阻，提升散熱效率。第四，推動(dòng)2.5D和3D封裝發(fā)展，減少87%的TSV互連面積需求，提升空間利用率，實(shí)現(xiàn)小型化與高性能封裝。最后，功耗顯著降低，耗能只有微凸塊的三分之一甚至更低，混合鍵合芯片能耗降低20倍，HBM芯片降低17%動(dòng)態(tài)功耗。
技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
【盡管優(yōu)勢(shì)突出，混合鍵合實(shí)施面臨諸多挑戰(zhàn)。工藝要求極為嚴(yán)格：清潔度需1級(jí)/ISO 3級(jí)或更好潔凈室和設(shè)備，臺(tái)積電和英特爾正邁向ISO 2或ISO 1級(jí)別；表面光滑度要求電介質(zhì)粗糙度低于0.5nm，銅焊盤(pán)低于1nm；對(duì)準(zhǔn)精度需達(dá)到±100nm甚至更高。良率控制是另一大難點(diǎn)，顆粒是主要敵人，高度僅1微米的顆粒可導(dǎo)致直徑10毫米的粘合空隙，從而引發(fā)鍵合缺陷，確保數(shù)十億連接點(diǎn)成功鍵合難度大。熱預(yù)算管理也需關(guān)注，例如HBM應(yīng)用要求較低沉積和退火溫度（低于300-350°C范圍），以防止DRAM刷新退化。
成本問(wèn)題突出，清潔度要求和工具增加導(dǎo)致成本大幅上升，混合鍵合工藝涉及許多傳統(tǒng)上僅由晶圓廠專用的工具，OSAT公司經(jīng)驗(yàn)較少，相關(guān)設(shè)備和材料成本較高。材料兼容性方面，需確保鍵合過(guò)程中不同材料間熱膨脹系數(shù)匹配，否則可能導(dǎo)致應(yīng)力問(wèn)題和可靠性挑戰(zhàn)。工藝集成挑戰(zhàn)包括流程復(fù)雜、產(chǎn)業(yè)鏈配套能力不足，以及增加未使用技術(shù)。
此外，在3D集成中，良率問(wèn)題更為凸顯，如果任何芯片失效，整個(gè)堆疊結(jié)構(gòu)都會(huì)受影響，需通過(guò)已知合格芯片（KGD）方案解決，但D2W鍵合可能引入切割碎屑污染，需采用激光切割和等離子切割等先進(jìn)技術(shù)緩解。熱管理也構(gòu)成挑戰(zhàn)，堆疊層數(shù)越多，散熱越困難，可能限制3D集成優(yōu)勢(shì)。
本文轉(zhuǎn)載自：Jeff的芯片世界
轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)
不代表上海隱冠半導(dǎo)體立場(chǎng)
