详解先进封装中的混合键合技术

以下文章来源于十二芯座，作者MicroX

在先进封装中，Hybrid bonding(混合键合)不仅可以增加I/O密度，提高信号完整性，还可以实现低功耗、高带宽的异构集成。它是主要3D封装平台（如台积电的SoIC、三星的X-Cube和英特尔的fooveros）背后的基础技术。展望未来，随着逻辑和内存堆叠变得更加紧密耦合，带宽需求不断增加，键合技术只会变得越来越重要，成为芯片和系统层面创新的关键推动者。

技术原理与架构特点

Hybrid bonding 是一种以无凸点互连结构为特征的半导体堆叠技术。与传统的基于焊料的封装不同，混合键合通过直接的铜对铜（Cu-Cu）接触实现电气和机械互连。上下芯片紧密键合，其间仅有被介质材料封装的超细图案化铜焊盘。这些铜焊盘的间距通常低于10微米，并通过硅通孔（TSVs）连接到芯片内部的金属层，形成完整的信号和电源路径。

“混合”一词指的是介电对介电的分子键合和金属对金属的铜键合的结合，两者均无需粘合剂。这使得界面更加稳定，损耗更低，具有卓越的电气和热性能。

技术优势与系统级益处

Hybrid bonding 提供了众多的技术和系统级优势，从根本上重塑了芯片设计和系统架构：

超高互连密度：能够在低于10微米甚至达到数百纳米的范围内实现垂直互连，远远超过传统凸点方法的密度。

低电阻和低功耗：消除焊料凸点显著降低了互连电阻，提高了能效和热性能——这对于高速数据路径至关重要。

低延迟和短互连：极大地缩短了信号路径，使其接近芯片内部的距离，提高了性能，特别是在人工智能、近内存计算和3D缓存架构中。

架构创新：高密度互连使设计人员能够对芯片功能进行模块化和异构集成，克服了单芯片面积和产量的限制。

制造挑战与关键工艺控制

尽管 Hybrid bonding 具有变革性潜力，但它带来了严格的工艺要求。关键因素包括：

表面平整度：键合界面极其敏感于微尺度粗糙度。介电表面要求粗糙度小于0.5纳米，铜焊盘小于1纳米。这需要化学机械抛光（CMP）作为关键步骤。

清洁度和颗粒控制：即使是1微米的颗粒也可能导致毫米级区域的键合失败。混合键合需要ISO 3级或更好的洁净室环境，使其在清洁度需求上更接近前端晶圆厂。

对准精度：晶圆对晶圆（W2W）键合系统必须实现低于50纳米的对准精度，集成高分辨率光学元件和精确的机械定位。键合压力和停留时间也必须严格控制，以实现初始的范德华键合(van der Waals bonding)和随后的铜对铜键合(Cu-Cu bonding)。

工艺概述

Hybrid bonding 以晶圆对晶圆（W2W）或芯片对晶圆（D2W）的形式实现，遵循以下一般步骤：

TSV形成：通过硅通孔在基底晶圆中建立信号和电源路径。

键合层制造：在晶圆顶部沉积介电层（例如二氧化硅或碳氮化硅）并图案化铜焊盘。

CMP抛光：对两个键合表面进行抛光，以满足纳米级平整度要求。

表面激活和清洁：用等离子体（例如氮气）处理以激活表面，随后用去离子水冲洗。

对准和预键合：使用先进的定位系统对准晶圆，并施加低压力键合以启动介电粘附。

热退火：应用受控的热处理以形成铜对铜金属键，最终完成混合界面。

W2W与D2W工艺选择

W2W：适用于高产量、小面积芯片；具有对准和吞吐量优势。常见于图像传感器和3D NAND。

D2W：适用于大型或复杂芯片，使用经过晶圆分类后的已知良好芯片（KGD）。技术上具有挑战性，但能够实现模块化和异构集成。AMD的3D V-Cache（SoIC）是使用D2W混合键合的突出例子。

Wafer to wafer：指的是将两个完整的晶圆（wafer）直接进行键合或连接。

Die to wafer：则是指将单个芯片（die）与另一个完整的晶圆进行键合或连接。