Hybrid Bonding推進(jìn)半導(dǎo)體封裝的三維集成

逍遙設(shè)計自動化

引言
" ^& i+ x/ e# K5 C* j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。

9 m8 c& `! h" _0 W- _( u! L混合鍵合的基本原理
- Z: ?( h* C# K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(zhǔn)備：使用化學(xué)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(jìn)行退火步驟，加強介電鍵合并促進(jìn)金屬對金屬鍵合。
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圖1. 低溫直接鍵合互連（DBI）的關(guān)鍵工藝步驟

7 G7 a9 ?) l# W/ V5 o- b) ]8 E1 @混合鍵合的優(yōu)勢
3 e1 C8 F8 |8 g4 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：

超細(xì)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。
1 P# F/ ]( }5 C& @
' S$ Q* i( H0 g! l6 w" A混合鍵合的成功關(guān)鍵因素
+ M, P0 B+ \% T2 Y$ F成功的混合鍵合需要考慮幾個關(guān)鍵因素：


a) 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(xué)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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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。
% H2 Z# v0 ^1 D0 v9 g* c/ D: h
% L, I1 F" |. e/ R+ `, Z0 I% E4 [d) 對準(zhǔn)精度：精確對準(zhǔn)必不可少，特別是對于細(xì)間距互連。

. n" R' [" f- V4 t5 V( le) 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。
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; c$ B' ~: \1 {; a2 T( g混合鍵合的應(yīng)用
. ?- T- k2 J8 E- ?. ~% U混合鍵合在半導(dǎo)體封裝的各個領(lǐng)域找到了應(yīng)用：
1 a/ O7 Q+ F1 H4 v5 o! U4 A
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。

5 z0 M- F3 W1 }( W) a0 V圖3. 索尼使用混合鍵合的3D CIS和處理器IC集成

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。
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d) 異構(gòu)集成：促進(jìn)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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混合鍵合的最新發(fā)展
) L3 @  E: X. x, m, R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)：

/ j2 q, f9 O0 ]6 t# w& N+ ca) 臺積電的集成芯片系統(tǒng)（SoIC）：
& ^, a2 x! T& l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(xì)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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$ j# F6 k" o  _1 y$ }& ^" m圖4. 各種鍵合技術(shù)的凸點密度與間距比較

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。
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圖5. 英特爾的FOVEROS混合鍵合與微凸點技術(shù)比較
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' U) k6 c% x/ I7 r  }) o7 o9 lc) IMEC的帶TSV的混合鍵合：
# H- V/ {, I7 g0 `, t3 dIMEC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：
$ Z" f, M, u3 I/ |! Y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。

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
0 T, p) ]  y! g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(zhǔn)備和對準(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(biāo)準(zhǔn)化：建立混合鍵合工藝和材料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對更廣泛的采用很重要。
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% R/ X7 |4 M3 f6 ~+ Q5 r% N- R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(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

! K$ g$ }: V" T  Y% @, R" B5 K4 Z) j結(jié)論
9 r( f) f0 k9 ?; g0 O4 E混合鍵合代表了半導(dǎo)體封裝技術(shù)的重大進(jìn)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。

3 F" y3 w5 v; t9 t2 ]2 k參考文獻(xiàn)
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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