Hybrid Bonding推進半導(dǎo)體封裝的三維集成

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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
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

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：
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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。

混合鍵合的成功關(guān)鍵因素
成功的混合鍵合需要考慮幾個關(guān)鍵因素：

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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。

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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。

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。

* 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：

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。

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。

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。

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
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)：

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)：
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。

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

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：
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。

; 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：

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.

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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)。

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