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引言

混合鍵合（Hybrid Bonding）是半導體封裝領域的新興技術，能夠實現高密度三維集成，無需傳統的焊料凸點。本文探討混合鍵合的基本原理、相比傳統方法的優勢，以及該領域的最新發展。

混合鍵合的基本原理

混合鍵合，也稱為直接鍵合互連（DBI），結合了介電對介電鍵合和金屬對金屬鍵合，形成晶圓或芯片之間的互連。該過程通常包括以下關鍵步驟：

表面準備：使用化學機械拋光（CMP）實現極其平坦和光滑的介電表面，金屬區域略低于介電表面。

表面活化：通過等離子體處理等方法活化晶圓表面，以增強鍵合強度。

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）下進行退火步驟，加強介電鍵合并促進金屬對金屬鍵合。

圖1. 低溫直接鍵合互連（DBI）的關鍵工藝步驟

混合鍵合的優勢

與傳統的倒裝芯片鍵合方法相比，混合鍵合具有多個優勢：

超細間距：實現小于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。

減少應力：消除焊料凸點減少了互連上的熱應力。

可擴展性：適用于晶圓對晶圓（W2W）、芯片對晶圓（C2W）和芯片對芯片（C2C）鍵合。

混合鍵合的成功關鍵因素

成功的混合鍵合需要考慮幾個關鍵因素：

a) 表面地形：控制納米級地形非常重要。介電表面應極其平坦和光滑（<0.5 nm RMS粗糙度），金屬區域略微凹陷。

b) CMP優化：化學機械拋光對于實現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優化對混合鍵合質量的影響

c) 鍵合環境：清潔、受控的環境對防止污染和確保強鍵合非常重要。

d) 對準精度：精確對準必不可少，特別是對于細間距互連。

e) 退火參數：退火過程中的溫度、時間和氣氛影響鍵合強度和金屬擴散。

混合鍵合的應用

混合鍵合在半導體封裝的各個領域找到了應用：

a) CMOS圖像傳感器：索尼成功地在大規模生產中實施了混合鍵合，用于背照式CMOS圖像傳感器。

圖3. 索尼使用混合鍵合的3D CIS和處理器IC集成

b) 高性能計算：臺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應用。

c) 存儲堆疊：混合鍵合實現了高帶寬存儲器（HBM）與邏輯芯片的集成。

d) 異構集成：促進了在單個封裝中集成不同類型芯片（如邏輯、存儲、射頻）。

混合鍵合的最新發展

幾家半導體公司和研究機構正在積極開發混合鍵合技術：

a) 臺積電的集成芯片系統（SoIC）：

臺積電推出了SoIC，這是一種無凸點混合鍵合技術，實現了超細間距互連。與傳統的倒裝芯片方法相比，SoIC可以實現顯著更高的連接密度。

圖4. 各種鍵合技術的凸點密度與間距比較

b) 英特爾的FOVEROS技術：

英特爾展示了FOVEROS 3D封裝技術的混合鍵合版本，實現了10 μm間距和每平方毫米10，000個互連。

圖5. 英特爾的FOVEROS混合鍵合與微凸點技術比較

c) IMEC的帶TSV的混合鍵合：

IMEC開發了集成了硅通孔（TSV）的混合鍵合工藝，用于3D堆疊應用。

圖6. IMEC的帶集成TSV的混合鍵合堆疊

d) 三菱的硅薄膜方法：

三菱開發了使用硅薄膜的混合鍵合工藝，以改善鍵合質量并減少界面處的空隙。

圖7. 三菱使用硅薄膜的混合鍵合工藝

挑戰和未來方向

混合鍵合顯示出巨大潛力，但要實現更廣泛的應用，還需要解決幾個挑戰：

成本降低：由于對表面準備和對準的嚴格要求，當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性。

設計和工藝優化：需要持續研究，以優化各種應用的設計參數和工藝條件。

檢測和測試：開發有效的混合鍵合結構檢測和測試方法對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鍵。

標準化：建立混合鍵合工藝和材料的行業標準對更廣泛的采用很重要。

未來的研究方向可能包括：

開發新材料和工藝以提高鍵合強度和可靠性

探索混合鍵合在新應用中的應用，如光電子集成芯片集成

將混合鍵合與扇出晶圓級封裝（FOWLP）等先進封裝技術集成

研究混合鍵合在不同半導體材料（如Si、GaN、SiC）的異構集成中的應用

結論

混合鍵合代表了半導體封裝技術的重大進步，實現了更高水平的集成和性能。隨著技術的成熟和挑戰的解決，可以期待混合鍵合在下一代電子設備和系統中發揮越來越重要的作用。持續的研究和開發努力將對實現這一有前途技術的全部潛力起到關鍵作用。

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