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。
3 N$ y' L0 {" j6 a" ]& t
混合鍵合的基本原理
6 m. N* R+ Y& N$ ?混合鍵合，也稱為直接鍵合互連（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。
( g7 `' k, g  i[/ol]

; ^$ Y8 s7 _9 t5 F0 W/ R/ S) Z圖1. 低溫直接鍵合互連（DBI）的關(guān)鍵工藝步驟
8 M: [0 z' G# J; u
7 j3 a' F' f- ~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)：
, n. f* N4 t! k2 b; R0 E

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。
/ @* S% B( V* a: `# r9 ^! @
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(gè)關(guān)鍵因素：


a) 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（
2 S3 G* n3 @* `( ?4 C
8 o& G( X5 f3 @9 ob) 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。


圖2. CMP優(yōu)化對(duì)混合鍵合質(zhì)量的影響
1 O8 [7 S7 a- h- V, U" b8 W8 W
& V) D2 d' G( K, u* Z/ |# ec) 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。

5 A1 [1 ^( B: G9 Cd) 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。

e) 退火參數(shù)：退火過程中的溫度、時(shí)間和氣氛影響鍵合強(qiáng)度和金屬擴(kuò)散。
9 s7 @" w* x+ L+ Y0 T
4 J0 |' B; I. {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：
9 C0 @/ h2 m* O4 h0 H
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。
. j- C, {2 m! ^& T
圖3. 索尼使用混合鍵合的3D CIS和處理器IC集成

* X: r' \+ K: F* W/ L: Z8 pb) 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。
: I3 [% U) s% [. T+ S
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。

. {( ?8 a* I8 m1 j$ A; bd) 異構(gòu)集成：促進(jìn)了在單個(gè)封裝中集成不同類型芯片（如邏輯、存儲(chǔ)、射頻）。

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)正在積極開發(fā)混合鍵合技術(shù)：

$ Z8 Q  f& i. O; K) U8 b/ e$ oa) 臺(tái)積電的集成芯片系統(tǒng)（SoIC）：
臺(tái)積電推出了SoIC，這是一種無凸點(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。
8 J& \. Q6 l9 H& U/ F( t3 F
. E  u, e6 R" ], S$ e圖4. 各種鍵合技術(shù)的凸點(diǎn)密度與間距比較
/ ?" z4 t, q# b8 e( N' Q) q, W
& p' o0 ?( Z- z! |) s( P- b8 \$ Bb) 英特爾的FOVEROS技術(shù)：
7 l, F2 G. K6 O# ~% r/ M2 W* i, ~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。

圖5. 英特爾的FOVEROS混合鍵合與微凸點(diǎn)技術(shù)比較

% W1 [! K$ N  e6 Y5 D1 {c) IMEC的帶TSV的混合鍵合：
& u' ~& x% }$ N) a+ w5 _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。

; D2 ^4 y" E: P4 l. q圖6. IMEC的帶集成TSV的混合鍵合堆疊
) f# B: o1 A+ b9 `6 r; I& {6 m
* {' \2 `% a) G' M& k; _  K" Kd) 三菱的硅薄膜方法：
: y8 c, w7 c' ^; |+ f5 N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。

7 s( c  w$ W4 h9 S圖7. 三菱使用硅薄膜的混合鍵合工藝
4 S; M! v) _. c
# P- d/ e5 j2 w' B- d# s0 }挑戰(zhàn)和未來方向
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，以優(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)確保可靠性非常重要。

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。
( v/ }8 q* `& `, v, G( X8 P[/ol]
7 _6 j* o; K0 N0 B- n% S% I) T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(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

6 t  W( `& n5 s& s! r( G* V結(jié)論
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)揮越來越重要的作用。持續(xù)的研究和開發(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。

9 i- u7 S0 o8 z' J  ]( P參考文獻(xiàn)
* p; B3 R/ P: t7 R& b* [/ c[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.

- END -

( i' z2 S5 z8 j1 @4 {2 v" r3 l  e( n軟件申請(qǐng)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(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)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。
6 N) W) r" w  r: ~  e: c+ `* E& }點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

& `; H+ p/ E9 u' i" M2 }) F歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
  S  j+ T/ J) J( z) p4 D6 s



6 r- R# l& M$ {5 W( Z: t; B
' }& p" i( z; ^/ J4 ~2 Z( e關(guān)注我們
+ ]3 ]" a9 ?" ~  @* r+ ~: m

: r* i2 U/ b/ u3 G1 M

Q; |& c, P. {5 R  G9 C ( J* B5 K& v, L% {

# n5 h" W* P3 a 1 u; M3 c! v  C4 b% F1 g  V0 J

                     
, a4 ?: [# ?: V
  D0 ^6 ?* M# C  S$ Q
$ z7 I6 F1 T- z1 k" b# X1 w
關(guān)于我們：
8 p/ Q. z3 ^) P1 q6 Q  T! I  L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(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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)。
$ u4 ~, K* b( w; f: y. H  y- v3 ^
2 E8 B& O1 r! E: c+ D2 _& e. vhttp://www.latitudeda.com/
: `; w( |2 \8 E% C! T3 z, A（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）