混合键合：开创半导体互联技术新纪元

如今我们的生活中充满了各种智能化设备，从智能手机到智能家居，再到可穿戴设备，它们已经成为我们日常生活不可或缺的一部分。当我们沉浸在这些设备带来的便利时，是否曾想过，是什么技术支撑了这些设备的核心功能？在众多关键技术中，晶圆键合技术虽然不像光刻技术那样广为人知，但它却默默地在我们的手机图像传感器、重力加速传感器、麦克风、4G和5G射频前端，以及部分NAND闪存中发挥着重要作用。那么，这一技术中的新兴领域——混合键合究竟是什么呢？

一、晶圆键合技术是什么？

晶圆键合（wafer bonding），这一术语或许对许多人来说并不熟悉，但它却是半导体制造中不可或缺的一环。与传统的引线键合（wire bonding）和贴片键合（die bonding）不同，晶圆键合是在晶圆级别上实现不同材料或结构的连接。在日语中，“bonding”被翻译为“接合”，这一翻译更直观地描绘了这一工艺的本质——将两个或多个晶圆通过特定的工艺过程紧密结合在一起。

二、两大类晶圆键合技术

永久键合

永久键合意味着一旦两个晶圆被结合在一起，它们将永久性地保持连接状态，无需再解键合（debonding）。

临时键合

临时键合则需要在后续工艺中重新打开已经接合在一起的晶圆。从界面材料的角度来看，晶圆键合又可以分为带中间层的胶键合、共晶键合、金属热压键、无中间层的熔融键合（fusion bonding）和阳极键合等多种类型。

三、混合键合——技术的革新与突破

在晶圆键合的众多类型中，混合键合以其独特的优势和广泛的应用前景而备受瞩目。混合键合是一种结合了多种键合技术的先进工艺，它能够在不同材料之间实现高精度、高强度的连接。长江存储的Xtacking技术就是混合键合技术的典型应用之一。 

 

 

通过混合键合技术，Memory晶圆和CMOS晶圆可以在后道制程中构建触点，并通过这些触点实现垂直方向的互联。这种互联方式不仅简化了传统工艺中的引线连接和TSV（Through Silicon Via，硅通孔）穿透，还大大提高了互联的效率和可靠性。

 

四、混合键合的优势

更短的互联距

混合键合技术通过直接连接Memory晶圆和CMOS晶圆的后道铜触点，实现了更短的互联距离。这不仅避免了传统工艺中使用引线互相联通的繁琐过程，还无需用TSV穿过整个CMOS层。这种短距离互联不仅减少了信号传输的延迟和损耗，还提高了整个系统的性能。

更高的互联密度

混合键合工艺中的铜触点面积非常小，相比直径百微米的锡球和TSV，铜触点的pitch size（触点间距）甚至都不足10微米。这意味着在相同的面积内，可以布置更多的触点，从而实现更高的互联密度。这种高密度互联对于提高芯片的集成度和性能至关重要。

更低的成本

传统的互联方式往往需要对每颗DIE进行单独的互联操作，这不仅耗时费力，还限制了生产效率。而混合键合技术通过晶圆级别的键合，实现了大面积高密度的互联，从而大大提高了生产效率。这种效率的提升不仅降低了生产成本，还加快了新产品的上市速度。

五、混合键合的未来应用

混合键合技术的出现和发展，不仅推动了半导体制造技术的进步，还为未来的应用提供了无限可能。在智能手机、智能家居、可穿戴设备等领域，混合键合技术可以助力实现更加高效、可靠的芯片互联，从而提升设备的性能和用户体验。

在存储领域，混合键合技术可以应用于3D NAND闪存的制造中，通过垂直堆叠的方式实现更高的存储容量和更快的读写速度。在传感器领域，混合键合技术可以助力实现更加敏感、精确的传感器芯片，从而推动物联网、医疗健康等领域的发展。

此外，混合键合技术还可以应用于高性能计算、人工智能等领域，通过优化芯片间的互联方式，提高整个系统的计算效率和性能。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，混合键合技术将成为半导体制造领域的重要发展方向之一。

尽管混合键合技术具有诸多优势和应用前景，但其发展仍面临一些挑战。例如，混合键合过程中需要精确控制各种工艺参数，以确保键合的质量和可靠性。此外，混合键合技术还需要与现有的半导体制造工艺相兼容，以实现大规模的生产和应用。为了克服这些挑战，业界正在不断探索和创新。研究人员正在开发更加先进的混合键合工艺和技术，以提高键合的精度和可靠性、另外，制造商正在优化现有的半导体制造工艺和设备，以适应混合键合技术的需求。