Hybrid Bonding推進半導體封裝的三維集成

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引言
混合鍵合（Hybrid Bonding）是半導體封裝領域的新興技術，能夠實現(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，以及該領域的最新發(fā)展。
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: ]% `) n' L1 e- q1 D/ u7 _混合鍵合的基本原理
. C' w. F" }6 E3 [1 }混合鍵合，也稱為直接鍵合互連（DBI），結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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圖1. 低溫直接鍵合互連（DBI）的關鍵工藝步驟
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0 w, b# n0 o$ {7 q混合鍵合的優(yōu)勢
6 v: g' T( h* s0 G( W5 [* h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。

減少應力：消除焊料凸點減少了互連上的熱應力。

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。

0 {8 ]2 K' t6 g+ |1 E, H混合鍵合的成功關鍵因素
成功的混合鍵合需要考慮幾個關鍵因素：
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a) 表面地形：控制納米級地形非常重要。介電表面應極其平坦和光滑（
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2 @% F9 C% @8 H# gb) 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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$ J5 o, c! Q4 O6 q, n- o9 |圖2. CMP優(yōu)化對混合鍵合質量的影響
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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。
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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。

e) 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。

混合鍵合的應用
4 ?1 |  K, b* E7 a混合鍵合在半導體封裝的各個領域找到了應用：

a) CMOS圖像傳感器：索尼成功地在大規(guī)模生產中實施了混合鍵合，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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, x$ P" v  }) j' V* R4 P) @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應用。
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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。

9 n* z9 {' U; J# rd) 異構集成：促進了在單個封裝中集成不同類型芯片（如邏輯、存儲、射頻）。

混合鍵合的最新發(fā)展
幾家半導體公司和研究機構正在積極開發(fā)混合鍵合技術：
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a) 臺積電的集成芯片系統(tǒng)（SoIC）：
5 `& S# @7 c+ s- M臺積電推出了SoIC，這是一種無凸點混合鍵合技術，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。

圖4. 各種鍵合技術的凸點密度與間距比較

b) 英特爾的FOVEROS技術：
英特爾展示了FOVEROS 3D封裝技術的混合鍵合版本，實現(xiàn)了10 μm間距和每平方毫米10，000個互連。

6 G8 Y, k. T! e  b圖5. 英特爾的FOVEROS混合鍵合與微凸點技術比較

c) IMEC的帶TSV的混合鍵合：
) t% z& {  C: Y1 w4 _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，以改善鍵合質量并減少界面處的空隙。
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" |( i2 g( l2 G" k$ W圖7. 三菱使用硅薄膜的混合鍵合工藝

! B8 L4 {( F* T/ O$ S7 i& J: \8 T挑戰(zhàn)和未來方向
7 O+ F$ h, p: U; M混合鍵合顯示出巨大潛力，但要實現(xiàn)更廣泛的應用，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。

設計和工藝優(yōu)化：需要持續(xù)研究，以優(yōu)化各種應用的設計參數(shù)和工藝條件。

檢測和測試：開發(fā)有效的混合鍵合結構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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% R$ H. i9 @9 n5 ~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用中的應用，如光電子集成芯片集成

將混合鍵合與扇出晶圓級封裝（FOWLP）等先進封裝技術集成

研究混合鍵合在不同半導體材料（如Si、GaN、SiC）的異構集成中的應用

2 r9 G' L* T- `7 I2 u結論
混合鍵合代表了半導體封裝技術的重大進步，實現(xiàn)了更高水平的集成和性能。隨著技術的成熟和挑戰(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)這一有前途技術的全部潛力起到關鍵作用。

, i. H. t3 T1 J; L2 O參考文獻
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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