什么是混合键合？为什么要使用混合键合？

 

　　混合键合是为先进封装的创新未来铺平道路的关键。混合键合提供了一种解决方案，可实现更高的带宽以及更高的功率和信号完整性。由于业界希望通过扩展系统级互连来提高最终器件的性能，因此混合键合提供了最有前途的解决方案，能够集成多个互连间距小于 10 μm 的芯片。

　　什么是混合键合？

　　要了解混合键合，需要了解先进封装行业的简要历史。当电子封装行业发展到三维封装时，微凸块通过使用芯片上的小铜凸块作为晶圆级封装的一种形式，在芯片之间提供垂直互连。凸块的尺寸范围很广，从 40 μm 间距到最终缩小到 20 μm 或 10 μm 间距。然而，这就是问题出现的地方;缩小到 10μm 以上变得非常具有挑战性，工程师们正在转向一种新的解决方案，以继续缩小尺寸。混合键合通过完全避免使用凸块，为10 μm及以下的间距提供了解决方案，而是使用小型铜对铜连接连接封装中的芯片。它提供卓越的互连密度，支持类似 3D 的封装和高级内存立方体。

　　混合键合是一种将介电键 （SiOx） 与嵌入金属 （Cu） 结合以形成互连的永久键。它在业界被称为直接键互连 （DBI）。混合键合扩展了熔融键合，在键合界面中嵌入了金属焊盘，从而允许晶圆的面对面连接。

　　为什么要使用混合键合？

　　混合键合通过紧密间隔的铜焊盘垂直连接晶粒与晶圆 （D2W） 或晶圆与晶圆 （W2W）。虽然 W2W 混合键合在图像传感领域已经投入生产数年，但业界正在大力推动 D2W 混合键合的发展。这一发展将进一步实现异构集成，从而提供一种强大而灵活的手段来直接连接不同功能、尺寸和设计规则的芯片。

　　与其他粘接技术相比，混合粘接具有许多优势，包括：

　　允许高级 3D 设备堆叠

　　最高 I/O

　　可实现低于 10μm 的键合间距

　　更高的内存密度

　　扩展带宽

　　增加功率

　　提高速度效率

　　无需颠簸，提高性能，而不会造成功率和信号损失

　　图片来源：Imed Jani。3D 高密度互连的测试和表征。微纳米技术/微电子学。格勒诺布尔阿尔卑斯大学，2019 年。英语。NNT ： 2019GREAT094 。电话 [phone]

　　用于混合键合的无机介电材料与聚合物介电材料

　　SiOx/金属杂化键合与聚合物/金属杂化键合之间的主要区别如下图所示。

　　化学机械抛光（CMP）是晶圆级封装的关键工艺之一。CMP是一种通过化学和机械作用的组合来去除材料的过程，以实现高度光滑和平坦的材料表面。通过CMP工艺获得平面成本高昂，这是使用SiOx作为介电材料的缺点之一。SiOx 要求通过 CMP 的平面表面粗糙度 （Ra） 小于 1 nm。无法获得平面可能是有害的，因为颗粒或铜盘会导致粘合层出现空隙。此外，SiOx 在键合过程中没有回流焊，这会导致金属周围出现气隙。

　　下面是一个简化的过程，展示了永久粘接胶粘剂如何在混合粘接中使用。在案例 A 中，将介电聚合物施加在铜柱上，然后在粘合前平坦化。在案例 B 中，聚合物被图案化，铜柱在粘合之前通过双大马士革方法形成。可光图案化的介电材料的功能使这种流动成为可能。

审核编辑：黄飞