混合键合的基本原理和优势

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引言

混合键合（Hybrid Bonding）是半导体封装领域的新兴技术，能够实现高密度三维集成，无需传统的焊料凸点。本文探讨混合键合的基本原理、相比传统方法的优势，以及该领域的最新发展。

混合键合的基本原理

混合键合，也称为直接键合互连（DBI），结合了介电对介电键合和金属对金属键合，形成晶圆或芯片之间的互连。该过程通常包括以下关键步骤：

表面准备：使用化学机械抛光（CMP）实现极其平坦和光滑的介电表面，金属区域略低于介电表面。

表面活化：通过等离子体处理等方法活化晶圆表面，以增强键合强度。

室温键合：在室温下将活化的介电表面接触，形成初始键合。

退火：随后在升高的温度（通常为200-400°C）下进行退火步骤，加强介电键合并促进金属对金属键合。

图1. 低温直接键合互连（DBI）的关键工艺步骤

混合键合的优势

与传统的倒装芯片键合方法相比，混合键合具有多个优势：

超细间距：实现小于10 μm的互连间距，显著提高连接密度。

改善电性能：由于直接金属对金属键合，降低了寄生电容和电阻。

更好的热性能：直接键合允许更好的散热。

减少应力：消除焊料凸点减少了互连上的热应力。

可扩展性：适用于晶圆对晶圆（W2W）、芯片对晶圆（C2W）和芯片对芯片（C2C）键合。

混合键合的成功关键因素

成功的混合键合需要考虑几个关键因素：

a) 表面地形：控制纳米级地形非常重要。介电表面应极其平坦和光滑（<0.5 nm RMS粗糙度），金属区域略微凹陷。

b) CMP优化：化学机械抛光对于实现正确的表面特性非常重要，包括金属凹陷、介电粗糙度和介电曲率。

图2. CMP优化对混合键合质量的影响

c) 键合环境：清洁、受控的环境对防止污染和确保强键合非常重要。

d) 对准精度：精确对准必不可少，特别是对于细间距互连。

e) 退火参数：退火过程中的温度、时间和气氛影响键合强度和金属扩散。

混合键合的应用

混合键合在半导体封装的各个领域找到了应用：

a) CMOS图像传感器：索尼成功地在大规模生产中实施了混合键合，用于背照式CMOS图像传感器。

图3. 索尼使用混合键合的3D CIS和处理器IC集成

b) 高性能计算：台积电等公司正在探索将混合键合用于高密度、高性能的3D集成HPC应用。

c) 存储堆叠：混合键合实现了高带宽存储器（HBM）与逻辑芯片的集成。

d) 异构集成：促进了在单个封装中集成不同类型芯片（如逻辑、存储、射频）。

混合键合的最新发展

几家半导体公司和研究机构正在积极开发混合键合技术：

a) 台积电的集成芯片系统（SoIC）：

台积电推出了SoIC，这是一种无凸点混合键合技术，实现了超细间距互连。与传统的倒装芯片方法相比，SoIC可以实现显著更高的连接密度。

图4. 各种键合技术的凸点密度与间距比较

b) 英特尔的FOVEROS技术：

英特尔展示了FOVEROS 3D封装技术的混合键合版本，实现了10 μm间距和每平方毫米10，000个互连。

图5. 英特尔的FOVEROS混合键合与微凸点技术比较

c) IMEC的带TSV的混合键合：

IMEC开发了集成了硅通孔（TSV）的混合键合工艺，用于3D堆叠应用。

图6. IMEC的带集成TSV的混合键合堆叠

d) 三菱的硅薄膜方法：

三菱开发了使用硅薄膜的混合键合工艺，以改善键合质量并减少界面处的空隙。

图7. 三菱使用硅薄膜的混合键合工艺

挑战和未来方向

混合键合显示出巨大潜力，但要实现更广泛的应用，还需要解决几个挑战：

成本降低：由于对表面准备和对准的严格要求，当前的混合键合工艺可能成本较高。

薄晶圆处理：随着3D集成晶圆变得更薄，处理和加工变得更具挑战性。

设计和工艺优化：需要持续研究，以优化各种应用的设计参数和工艺条件。

检测和测试：开发有效的混合键合结构检测和测试方法对确保可靠性非常重要。

热管理：随着3D集成密度的增加，管理散热变得更加关键。

标准化：建立混合键合工艺和材料的行业标准对更广泛的采用很重要。

未来的研究方向可能包括：

开发新材料和工艺以提高键合强度和可靠性

探索混合键合在新应用中的应用，如光电子集成芯片集成

将混合键合与扇出晶圆级封装（FOWLP）等先进封装技术集成

研究混合键合在不同半导体材料（如Si、GaN、SiC）的异构集成中的应用

结论

混合键合代表了半导体封装技术的重大进步，实现了更高水平的集成和性能。随着技术的成熟和挑战的解决，可以期待混合键合在下一代电子设备和系统中发挥越来越重要的作用。持续的研究和开发努力将对实现这一有前途技术的全部潜力起到关键作用。

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