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引言' u6 s! n" ?7 g6 v2 d5 G$ n
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,無需傳統(tǒng)的焊料凸點。本文探討混合鍵合的基本原理、相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢,以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展。
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* H/ {; D; I& l- i# H$ P混合鍵合的基本原理0 n! a3 a% }6 Y3 T
混合鍵合,也稱為直接鍵合互連(DBI),結(jié)合了介電對介電鍵合和金屬對金屬鍵合,形成晶圓或芯片之間的互連。該過程通常包括以下關(guān)鍵步驟:表面準備:使用化學機械拋光(CMP)實現(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:通過等離子體處理等方法活化晶圓表面,以增強鍵合強度。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)下進行退火步驟,加強介電鍵合并促進金屬對金屬鍵合。
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+ Z' g% ~8 F' K% l3 H& Y圖1. 低溫直接鍵合互連(DBI)的關(guān)鍵工藝步驟3 u+ D# C" L( L p2 X* w5 ]
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混合鍵合的優(yōu)勢
- g7 q d. }! u8 D5 r, F( P與傳統(tǒng)的倒裝芯片鍵合方法相比,混合鍵合具有多個優(yōu)勢:
% O) a& k4 s7 N' N Z: `& t6 {超細間距:實現(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:消除焊料凸點減少了互連上的熱應(yīng)力。可擴展性:適用于晶圓對晶圓(W2W)、芯片對晶圓(C2W)和芯片對芯片(C2C)鍵合。5 Y9 y4 M" E' a$ F7 [
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混合鍵合的成功關(guān)鍵因素& ^7 s U) ?) P" y; }- D7 H2 a3 h
成功的混合鍵合需要考慮幾個關(guān)鍵因素:! s! g5 }+ |+ o" X0 V8 \* N3 p
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% N2 t( Y; f' L! i9 Ra) 表面地形:控制納米級地形非常重要。介電表面應(yīng)極其平坦和光滑(
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b) CMP優(yōu)化:化學機械拋光對于實現(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。 j$ |( O! E7 b# i$ b0 O
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圖2. CMP優(yōu)化對混合鍵合質(zhì)量的影響
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+ k5 v. O- e1 p0 `( U6 |c) 鍵合環(huán)境:清潔、受控的環(huán)境對防止污染和確保強鍵合非常重要。# `# v5 h+ w& I: f2 k
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d) 對準精度:精確對準必不可少,特別是對于細間距互連。
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2 _8 b& p3 w) u% L( m8 S# t3 qe) 退火參數(shù):退火過程中的溫度、時間和氣氛影響鍵合強度和金屬擴散。9 }8 k8 ?* K: G' Y8 x" a- l8 S
* n3 O2 K2 n* X) k& l1 q混合鍵合的應(yīng)用
- U8 Q7 I7 Y2 r0 _( F混合鍵合在半導(dǎo)體封裝的各個領(lǐng)域找到了應(yīng)用:; O! Q F, x D* F1 E k* W
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a) CMOS圖像傳感器:索尼成功地在大規(guī)模生產(chǎn)中實施了混合鍵合,用于背照式CMOS圖像傳感器。1 a5 K6 K' b6 s/ T! T! U9 D6 C- y
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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) 高性能計算:臺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。! Y9 e! m$ Z" b- Z" a
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c) 存儲堆疊:混合鍵合實現(xiàn)了高帶寬存儲器(HBM)與邏輯芯片的集成。+ L0 e8 D R4 U; K* M
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d) 異構(gòu)集成:促進了在單個封裝中集成不同類型芯片(如邏輯、存儲、射頻)。
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* D- g) ]$ l6 H& v7 P混合鍵合的最新發(fā)展 u0 A' v$ @3 t( l
幾家半導(dǎo)體公司和研究機構(gòu)正在積極開發(fā)混合鍵合技術(shù):; n7 h8 J6 r' I. U) c& F8 r% \
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a) 臺積電的集成芯片系統(tǒng)(SoIC):
: W, C0 c( s5 s臺積電推出了SoIC,這是一種無凸點混合鍵合技術(shù),實現(xiàn)了超細間距互連。與傳統(tǒng)的倒裝芯片方法相比,SoIC可以實現(xiàn)顯著更高的連接密度。
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圖4. 各種鍵合技術(shù)的凸點密度與間距比較
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b) 英特爾的FOVEROS技術(shù):+ r% y7 j7 O; p+ {7 f
英特爾展示了FOVEROS 3D封裝技術(shù)的混合鍵合版本,實現(xiàn)了10 μm間距和每平方毫米10,000個互連。' C) Z. ~7 n. ] i( v9 Y- q
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7 J; e! H0 e* b& I4 e& M: b圖5. 英特爾的FOVEROS混合鍵合與微凸點技術(shù)比較" b" @, R, w# r ^/ D7 K( _1 d! k" }& M
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c) IMEC的帶TSV的混合鍵合:
4 A0 }& R% U# B# |1 v3 N( {IMEC開發(fā)了集成了硅通孔(TSV)的混合鍵合工藝,用于3D堆疊應(yīng)用。
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圖6. IMEC的帶集成TSV的混合鍵合堆疊
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d) 三菱的硅薄膜方法:: q9 J, N; E4 z) Y" ~) \' G( ~ u9 z
三菱開發(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。% x5 B; k5 l8 f% }9 A9 Z) k. w
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; e8 O- F* R- @# V圖7. 三菱使用硅薄膜的混合鍵合工藝
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挑戰(zhàn)和未來方向
- G; J# T: ]7 w: f混合鍵合顯示出巨大潛力,但要實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用,還需要解決幾個挑戰(zhàn):成本降低:由于對表面準備和對準的嚴格要求,當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)計和工藝優(yōu)化:需要持續(xù)研究,以優(yōu)化各種應(yīng)用的設(shè)計參數(shù)和工藝條件。檢測和測試:開發(fā)有效的混合鍵合結(jié)構(gòu)檢測和測試方法對確?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。標準化:建立混合鍵合工藝和材料的行業(yè)標準對更廣泛的采用很重要。
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& A+ o9 R6 c5 @6 o, P未來的研究方向可能包括:. n6 P7 K* ]; ?- _) T3 W
開發(fā)新材料和工藝以提高鍵合強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封裝(FOWLP)等先進封裝技術(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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9 o8 h! `1 I" u6 @) s結(jié)論
/ r- X' U! H8 F8 H' H8 A3 @! @混合鍵合代表了半導(dǎo)體封裝技術(shù)的重大進步,實現(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)揮越來越重要的作用。持續(xù)的研究和開發(fā)努力將對實現(xiàn)這一有前途技術(shù)的全部潛力起到關(guān)鍵作用。
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參考文獻
7 {4 Z2 Q( s+ r) M[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.% C( K+ i6 _! G/ i
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2 ^% O# x( V# A* C* K' r; n軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
3 C9 ]. B N& |4 h9 {) {點擊左下角"閱讀原文"馬上申請& ]; e9 w2 _+ y! ~3 U$ K
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0 V$ J) l8 ~% s& P: p3 A深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。2 W7 z. V6 {: A+ Q8 t% |% N
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