在先进半导体封装领域，混合键合（Hybrid Bonding）作为一项突破性技术，正逐步成为推动芯片集成度提升和性能优化的关键手段。该技术通过直接实现芯片间金属与介电层的键合，取代传统焊料连接，为高性能计算、人工智能和存储芯片等应用提供了高密度、低功耗的互连方案。
基本概念与工艺原理
混合键合是一种用于芯片间（die-to-die）连接的先进封装技术，包括晶圆对晶圆（wafer-to-wafer）键合和芯片对晶圆（die-to-wafer）键合两种形式。其核心在于通过金属焊盘与周围氧化物的直接接触实现连接，无需任何填充材料如焊料。键合结构由氧化物键合与金属键合共同构成：金属焊盘会略微凹陷，使氧化物先发生键合，随后金属焊盘再完成键合。这种设计去除了焊料，提升了连接质量与电气性能，同时键合后的氧化物提供机械强度。
工艺原理方面，混合键合结合了介电键合和金属互连。基本流程始于表面预处理：晶圆需经过化学机械抛光/平坦化（CMP）和表面活化及清洗处理，以确保表面平整洁净且具亲水性。电介质的表面粗糙度阈值需低于0.5nm，铜焊盘则需低于1nm。
随后进行预对准键合：在室温下紧密贴合后，介质SiO₂上的悬挂键实现桥连，形成SiO₂-SiO₂间的键合。此步骤可能涉及热压键合或阳极键合，在温度（200-400°C）和压力（几十到几百牛顿）下促使介电材料分子形成化学键。
初始键合后，通过热退火处理（温度通常在300°C至400°C之间）促进介质SiO₂反应和金属Cu的互扩散，形成永久键合。退火过程中，铜因热膨胀系数大于SiO₂而体积膨胀，使两片晶圆上的铜相互接触并扩散，实现铜与铜之间的直接连接。
混合键合的类型与关键设备
混合键合主要分为晶圆到晶圆（Wafer-to-Wafer，W2W）键合和芯片到晶圆（Die-to-Wafer，D2W）键合两种类型。
W2W键合适用于面积较小、良率较高的芯片，如CMOS图像传感器和3D NAND，其优势在于对准和键合步骤分开，颗粒更少，更加干净，但无法执行晶圆分类来选择已知良好芯片，可能导致缺陷芯片粘合到良好芯片上。D2W键合适用于大芯片和异构集成，能够测试和键合已知良好芯片，提高良率，但更容易形成污染，且技术实现难度更高，主要体现在亚微米级对准精度和界面共面性控制。
关键设备包括晶圆键合设备、芯片键合设备和表面处理设备。设备核心组件包括高精度对准系统、真空系统、温度控制系统、压力控制系统、清洁模块和等离子体激活模块。
应用案例与技术优势
混合键合已在多个领域实现应用。在3D芯片堆叠中，AMD的3D V-Cache技术采用台积电SoIC-X的die-to-wafer混合键合，将CPU与额外缓存芯片紧密连接，提升系统性能；HBM高带宽内存通过混合键合实现多层堆叠，增加带宽。在异构集成方面，该技术使不同工艺节点制造的芯片（如射频芯片、传感器、处理器）有效结合，形成高性能封装体，应用于物联网设备和智能手机。图像传感器领域，混合键合将像素阵列芯片与逻辑芯片分离，扩大背照式结构可用面积，如索尼CMOS图像传感器。此外，3D NAND存储、汽车电子与5G通信也逐步采用混合键合，以满足高集成、低延迟需求。
混合键合技术优势显著。首先，混合键合实现极高密度互连，互连间距可达亚微米级乃至纳米级，较热压键合技术提高15倍密度，允许更多连接点，增加数据通信带宽。其次，由于省去中间介质如焊锡，直接铜对铜连接具有更低电阻，降低信号传输能量损失和时间延迟，速度提升11.9倍，带宽密度提升191倍。第三，紧凑结构和直接导电路径改善热管理，降低20%堆叠热阻，提升散热效率。第四，推动2.5D和3D封装发展，减少87%的TSV互连面积需求，提升空间利用率，实现小型化与高性能封装。最后，功耗显著降低，耗能只有微凸块的三分之一甚至更低，混合键合芯片能耗降低20倍，HBM芯片降低17%动态功耗。
技术难点与挑战
【尽管优势突出，混合键合实施面临诸多挑战。工艺要求极为严格：清洁度需1级/ISO 3级或更好洁净室和设备，台积电和英特尔正迈向ISO 2或ISO 1级别；表面光滑度要求电介质粗糙度低于0.5nm，铜焊盘低于1nm；对准精度需达到±100nm甚至更高。良率控制是另一大难点，颗粒是主要敌人，高度仅1微米的颗粒可导致直径10毫米的粘合空隙，从而引发键合缺陷，确保数十亿连接点成功键合难度大。热预算管理也需关注，例如HBM应用要求较低沉积和退火温度（低于300-350°C范围），以防止DRAM刷新退化。
成本问题突出，清洁度要求和工具增加导致成本大幅上升，混合键合工艺涉及许多传统上仅由晶圆厂专用的工具，OSAT公司经验较少，相关设备和材料成本较高。材料兼容性方面，需确保键合过程中不同材料间热膨胀系数匹配，否则可能导致应力问题和可靠性挑战。工艺集成挑战包括流程复杂、产业链配套能力不足，以及增加未使用技术。
此外，在3D集成中，良率问题更为凸显，如果任何芯片失效，整个堆叠结构都会受影响，需通过已知合格芯片（KGD）方案解决，但D2W键合可能引入切割碎屑污染，需采用激光切割和等离子切割等先进技术缓解。热管理也构成挑战，堆叠层数越多，散热越困难，可能限制3D集成优势。
本文转载自：Jeff的芯片世界
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