Hybrid Bonding推進(jìn)半導(dǎo)體封裝的三維集成

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
混合鍵合（Hybrid Bonding）是半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的新興技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度三維集成，無(wú)需傳統(tǒng)的焊料凸點(diǎn)。本文探討混合鍵合的基本原理、相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)，以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展。
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混合鍵合的基本原理
2 D: A- T5 H* d! e混合鍵合，也稱(chēng)為直接鍵合互連（DBI），結(jié)合了介電對(duì)介電鍵合和金屬對(duì)金屬鍵合，形成晶圓或芯片之間的互連。該過(guò)程通常包括以下關(guān)鍵步驟：

表面準(zhǔn)備：使用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）實(shí)現(xiàn)極其平坦和光滑的介電表面，金屬區(qū)域略低于介電表面。

表面活化：通過(guò)等離子體處理等方法活化晶圓表面，以增強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。

室溫鍵合：在室溫下將活化的介電表面接觸，形成初始鍵合。

退火：隨后在升高的溫度（通常為200-400°C）下進(jìn)行退火步驟，加強(qiáng)介電鍵合并促進(jìn)金屬對(duì)金屬鍵合。
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圖1. 低溫直接鍵合互連（DBI）的關(guān)鍵工藝步驟

混合鍵合的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)的倒裝芯片鍵合方法相比，混合鍵合具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)：
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超細(xì)間距：實(shí)現(xiàn)小于10 μm的互連間距，顯著提高連接密度。

改善電性能：由于直接金屬對(duì)金屬鍵合，降低了寄生電容和電阻。

更好的熱性能：直接鍵合允許更好的散熱。

減少應(yīng)力：消除焊料凸點(diǎn)減少了互連上的熱應(yīng)力。

可擴(kuò)展性：適用于晶圓對(duì)晶圓（W2W）、芯片對(duì)晶圓（C2W）和芯片對(duì)芯片（C2C）鍵合。

混合鍵合的成功關(guān)鍵因素
- ~# ]- |6 W) e. w! X, v( b2 W成功的混合鍵合需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素：
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* d- W; H( ]! La) 表面地形：控制納米級(jí)地形非常重要。介電表面應(yīng)極其平坦和光滑（
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, ]  a$ |! u8 Y* s0 Bb) CMP優(yōu)化：化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)于實(shí)現(xiàn)正確的表面特性非常重要，包括金屬凹陷、介電粗糙度和介電曲率。

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圖2. CMP優(yōu)化對(duì)混合鍵合質(zhì)量的影響

' t: y" Y5 K" s' z- B! S+ E/ Sc) 鍵合環(huán)境：清潔、受控的環(huán)境對(duì)防止污染和確保強(qiáng)鍵合非常重要。
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d) 對(duì)準(zhǔn)精度：精確對(duì)準(zhǔn)必不可少，特別是對(duì)于細(xì)間距互連。
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e) 退火參數(shù)：退火過(guò)程中的溫度、時(shí)間和氣氛影響鍵合強(qiáng)度和金屬擴(kuò)散。

混合鍵合的應(yīng)用
混合鍵合在半導(dǎo)體封裝的各個(gè)領(lǐng)域找到了應(yīng)用：

5 x1 p# D9 i% [; E9 q$ w/ }a) CMOS圖像傳感器：索尼成功地在大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)施了混合鍵合，用于背照式CMOS圖像傳感器。

" I6 N8 H1 p# f" p. R2 L  E8 Z圖3. 索尼使用混合鍵合的3D CIS和處理器IC集成
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b) 高性能計(jì)算：臺(tái)積電等公司正在探索將混合鍵合用于高密度、高性能的3D集成HPC應(yīng)用。

c) 存儲(chǔ)堆疊：混合鍵合實(shí)現(xiàn)了高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）與邏輯芯片的集成。

9 {  ^# x$ n0 [8 F: m" |: i, U) W& @d) 異構(gòu)集成：促進(jìn)了在單個(gè)封裝中集成不同類(lèi)型芯片（如邏輯、存儲(chǔ)、射頻）。
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6 _" C6 M0 G8 @$ W; c/ {& ?混合鍵合的最新發(fā)展
幾家半導(dǎo)體公司和研究機(jī)構(gòu)正在積極開(kāi)發(fā)混合鍵合技術(shù)：
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7 t" \+ r5 f: u" a4 @! ]a) 臺(tái)積電的集成芯片系統(tǒng)（SoIC）：
* F8 Z: h( [# u, \/ ?7 Y6 |2 w臺(tái)積電推出了SoIC，這是一種無(wú)凸點(diǎn)混合鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)間距互連。與傳統(tǒng)的倒裝芯片方法相比，SoIC可以實(shí)現(xiàn)顯著更高的連接密度。
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, I; S% x6 H! ]- e圖4. 各種鍵合技術(shù)的凸點(diǎn)密度與間距比較
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b) 英特爾的FOVEROS技術(shù)：
# n1 l! u6 o9 m  v' R2 |英特爾展示了FOVEROS 3D封裝技術(shù)的混合鍵合版本，實(shí)現(xiàn)了10 μm間距和每平方毫米10，000個(gè)互連。
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9 ?2 x" {( G8 V  E, i圖5. 英特爾的FOVEROS混合鍵合與微凸點(diǎn)技術(shù)比較
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c) IMEC的帶TSV的混合鍵合：
IMEC開(kāi)發(fā)了集成了硅通孔（TSV）的混合鍵合工藝，用于3D堆疊應(yīng)用。

圖6. IMEC的帶集成TSV的混合鍵合堆疊

d) 三菱的硅薄膜方法：
& m+ h# {& u8 r三菱開(kāi)發(fā)了使用硅薄膜的混合鍵合工藝，以改善鍵合質(zhì)量并減少界面處的空隙。
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- |1 b$ {( l) d& _5 F圖7. 三菱使用硅薄膜的混合鍵合工藝
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挑戰(zhàn)和未來(lái)方向
, C4 ]5 M! r  n$ K1 ]! p" B8 o! F混合鍵合顯示出巨大潛力，但要實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，還需要解決幾個(gè)挑戰(zhàn)：

成本降低：由于對(duì)表面準(zhǔn)備和對(duì)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，當(dāng)前的混合鍵合工藝可能成本較高。

薄晶圓處理：隨著3D集成晶圓變得更薄，處理和加工變得更具挑戰(zhàn)性。

設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化：需要持續(xù)研究，以?xún)?yōu)化各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝條件。

檢測(cè)和測(cè)試：開(kāi)發(fā)有效的混合鍵合結(jié)構(gòu)檢測(cè)和測(cè)試方法對(duì)確�？煽啃苑浅Ｖ匾�。

熱管理：隨著3D集成密度的增加，管理散熱變得更加關(guān)鍵。

標(biāo)準(zhǔn)化：建立混合鍵合工藝和材料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)更廣泛的采用很重要。
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未來(lái)的研究方向可能包括：
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開(kāi)發(fā)新材料和工藝以提高鍵合強(qiáng)度和可靠性

探索混合鍵合在新應(yīng)用中的應(yīng)用，如光電子集成芯片集成

將混合鍵合與扇出晶圓級(jí)封裝（FOWLP）等先進(jìn)封裝技術(shù)集成

研究混合鍵合在不同半導(dǎo)體材料（如Si、GaN、SiC）的異構(gòu)集成中的應(yīng)用
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, P, z0 v/ F% y' I混合鍵合代表了半導(dǎo)體封裝技術(shù)的重大進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了更高水平的集成和性能。隨著技術(shù)的成熟和挑戰(zhàn)的解決，可以期待混合鍵合在下一代電子設(shè)備和系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。持續(xù)的研究和開(kāi)發(fā)努力將對(duì)實(shí)現(xiàn)這一有前途技術(shù)的全部潛力起到關(guān)鍵作用。

: e4 K) h3 ^7 T5 E9 @3 r" H參考文獻(xiàn)
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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