裸片對(duì)晶圓的混合鍵合需要原始的芯片、先進(jìn)的設(shè)備和完美的集成方案，但是如果供應(yīng)商能夠滿足這些要求，那么該項(xiàng)技術(shù)將成為高級(jí)芯片設(shè)計(jì)的誘人選擇。代工廠、設(shè)備供應(yīng)商、研發(fā)機(jī)構(gòu)等都在研發(fā)一種稱之為銅混合鍵合（Hybrid bonding）工藝，這項(xiàng)技術(shù)正在推動(dòng)下一代2.5D和3D封裝技術(shù)。與現(xiàn)有的堆疊和鍵合方法相比，混合鍵合可以提供更高的帶寬和更低的功耗，但混合鍵合技術(shù)也更難實(shí)現(xiàn)。

異構(gòu)集成是銅混合鍵合的主要優(yōu)勢(shì)

銅混合鍵合并不是新鮮事，從2016年開始，CMOS圖像傳感器開始使用晶圓間（Wafer-to-Wafer）的混合鍵合技術(shù)制造產(chǎn)品。具體而言，供應(yīng)商會(huì)先生產(chǎn)一個(gè)邏輯晶圓，然后生產(chǎn)一個(gè)用于像素處理的單獨(dú)晶圓，之后使用銅互連技術(shù)將兩個(gè)晶圓結(jié)合在一起，再將各芯片切成小片，形成CMOS圖像傳感器。

混合鍵合與先進(jìn)封裝的工作方式幾乎相同，但前者更復(fù)雜。供應(yīng)商正在開發(fā)另一種不同的變體，稱為裸片對(duì)晶圓（Die-to-Wafer）的鍵合，可以在內(nèi)插器或者其他裸片上堆疊和鍵合裸片。KLA的行銷高級(jí)總監(jiān)Stephen Hiebert表示：“我們能觀察到裸片對(duì)晶圓的混合鍵合發(fā)展強(qiáng)勁，其主要優(yōu)勢(shì)在于它能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺寸芯片的異構(gòu)集成。”

這一方案將先進(jìn)封裝提高到一個(gè)新的水平，在當(dāng)今先進(jìn)封裝案例中，供應(yīng)商可以在封裝中集成多裸片的DRAM堆棧，并使用現(xiàn)有的互連方案連接裸片。通過混合鍵合，DRAM裸片可以使用銅互連的方法提供更高的帶寬，這種方法也可以用在內(nèi)存堆棧和其他高級(jí)組合的邏輯中。

Xperi的杰出工程師Guilian Gao在最近的演講中說：“它具有適用于不同應(yīng)用的潛力，包括3D DRAM，異構(gòu)集成和芯片分解。”

不過這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。裸片對(duì)晶圓的混合鍵合需要原始的芯片、先進(jìn)的設(shè)備和完美的集成方案，但是如果供應(yīng)商能夠滿足這些要求，那么該項(xiàng)技術(shù)將成為高級(jí)芯片設(shè)計(jì)的誘人選擇。

傳統(tǒng)上，為改進(jìn)設(shè)計(jì)，業(yè)界開發(fā)了片上系統(tǒng)（SoC），可以縮小每個(gè)具有不同功能的節(jié)點(diǎn)，然后在將它們封裝到同一裸片上，但是隨著單個(gè)節(jié)點(diǎn)正變得越來越復(fù)雜和昂貴，更多的人轉(zhuǎn)向?qū)ふ倚碌奶娲桨?。在傳統(tǒng)的先進(jìn)封裝中組裝復(fù)雜的芯片可以擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，使用混合鍵合的先進(jìn)封裝則是另一種選擇。

GlobalFoundry、英特爾、三星、臺(tái)積電和聯(lián)電都在致力于銅混合鍵合封裝技術(shù)，Imec和Leti也是如此。此外，Xperi正在開發(fā)一種混合鍵合技術(shù)，并將該技術(shù)許可給其他公司。

已有IC封裝技術(shù)的特色

IC封裝類型眾多，細(xì)分封裝市場(chǎng)的互連類型，包括引線鍵合、倒裝芯片、晶圓級(jí)封裝（WLP）和直通硅通孔（TSV）?；ミB是將一個(gè)芯片連接到封裝中的另一個(gè)芯片，TSV的I/O數(shù)量最高，其次是WLP、倒裝芯片和引線鍵合，混合互連比TSV密度更高。

TechSearch稱 ，當(dāng)今的封裝大約有75%至80%是基于引線鍵合，即使用焊線機(jī)細(xì)線將一個(gè)芯片接到另一個(gè)芯片或基板上，引線鍵合多用于商品包裝和存儲(chǔ)器裸片堆疊。

在倒裝芯片中，使用各種工藝步驟在芯片頂部形成大量的焊料凸塊或微小的銅凸塊，然后將器件翻轉(zhuǎn)并安裝在單獨(dú)的芯片或板上。凸塊落在銅焊盤上，形成點(diǎn)連接，稱之為晶圓鍵合機(jī)的系統(tǒng)鍵合裸片。

WLP是直接在晶圓上進(jìn)行封裝測(cè)試，之后再切割成單顆組件。扇出晶圓級(jí)封裝（Fan-out WLP）也是晶圓級(jí)封裝中的一種。Veeco的一位科學(xué)家Cliff McCold在ECTC的演講中說，“采用WLP能夠進(jìn)行較小的二維連接，從而將硅芯片重新分派到更大的面積上，為現(xiàn)代設(shè)備提供更高的I/O密度，更高的帶寬和性能。”

TSV用于高端2.5D/3D封裝。在2.5D封裝中，裸片堆疊在內(nèi)插器上，內(nèi)插器中包含TSV，中間層是連接芯片和電路板之間的橋梁，可提供更多的I/O和帶寬。

2.5D封裝和3D封裝的類型眾多，高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）就是一種3D封裝類型，這一方法是將DRAM裸片堆疊在一起。將邏輯堆疊在邏輯上或?qū)⑦壿嬛糜趦?nèi)存上的方法也正在出現(xiàn)。英特爾產(chǎn)品集成總監(jiān)Ramune Nagisetty表示，邏輯堆疊在邏輯上的方法還沒有普及，邏輯堆疊在內(nèi)存上的方法目前正在興起。

在封裝中，目前備受關(guān)注的是小芯片。小芯片本身不是一種封裝類型，但芯片制造商的庫(kù)中可以擁有一個(gè)模塊化裸片或多種小芯片，客戶可以混合搭配這些芯片，并使用封裝中裸片對(duì)裸片（Die-to-Die）的互連方案進(jìn)行連接。

小芯片可以存在于現(xiàn)有的封裝類型或新的體系架構(gòu)中?！斑@是一種架構(gòu)方法，” UMC（聯(lián)華電子）負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)開發(fā)的副總裁Walter Ng說，“它正在為任務(wù)需求優(yōu)化解決方案，這些需求包括速度、熱量、功率等性能，有時(shí)還需要考慮成本因素?！?/p>

當(dāng)下最先進(jìn)的2.5D封裝和3D封裝是供應(yīng)商所使用的現(xiàn)有互連方案和晶圓鍵合器。在這些封裝中，使用銅凸塊或銅柱堆疊和連接裸片，基于焊接材料，凸塊和支柱在不同的設(shè)備之間提供小而快速的電氣連接。

最先進(jìn)的微型凸塊的間距是40μm至36μm，這里的間距包括一定的空間距離，例如40μm間距就是25μm的銅柱加上15微米的空間距離。

對(duì)于細(xì)間距的要求，業(yè)界使用熱壓縮連接（TCB）。用一個(gè)TCB鍵合器取出一塊裸片，并將其凸塊與另一塊裸片的凸塊對(duì)齊，再用壓力和熱力將凸塊鍵合起來。不過，TCB過程緩慢，且銅凸塊也正在逼近物理極限。一般而言，視極限間距為20μm，但也有一部分人在嘗試延伸凸點(diǎn)間距。

Imec正在開發(fā)一種使用TCB實(shí)現(xiàn)的10μm間距技術(shù)，7μm和5μm也正在研發(fā)中?！?0μm凸塊間距有足夠的焊接材料來補(bǔ)償電流變化。當(dāng)縮放到10μm或更小的間距時(shí)，情況將會(huì)發(fā)生變化，” Imec的高級(jí)科學(xué)家Jaber Derakhshandeh在最近的ECTC會(huì)議上的一篇論文中說，“在細(xì)間距的微泵中，電流量和良好的連接取決于TCB工具的精度、錯(cuò)位、傾斜以及焊料的變形量?！?/p>

為了延長(zhǎng)微型凸塊的發(fā)展壽命，Imec開發(fā)了一種金屬墊板工藝，同以前一樣，裸片上仍然有微型凸塊，不同的是，在Imec工藝中，裸片上還有假金屬微凸塊，這類凸塊類似于支撐架構(gòu)的小梁。

Derakhshandeh說：“在3D裸片對(duì)晶圓的堆疊中引入了一個(gè)假金屬微凸塊，以減小TCB工具的傾斜誤差，并控制焊料變形，從而使粘合裸片不同位置的電阻和成形接頭的質(zhì)量相同?！?。

混合鍵合是TCB的補(bǔ)充

在某些時(shí)候，微型凸塊/支柱和TCB可能會(huì)用光，這時(shí)候就需要混合鍵合，它可以用在微凸技術(shù)碰壁后或者在此前插入。

不過微型凸塊不會(huì)很快在市場(chǎng)上消失，微型凸塊和混合鍵合技術(shù)都將在市場(chǎng)上占據(jù)一席之地，這取決于具體的應(yīng)用。

目前混合鍵合技術(shù)正在發(fā)展，臺(tái)積電最有發(fā)言權(quán)，其正在研究一種叫做集成芯片系統(tǒng)（SoIC）的技術(shù)。使用混合鍵合，臺(tái)積電的SoIC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低于微米的鍵合間距。據(jù)悉，SoIC的緩沖墊間距是現(xiàn)有方案的0.25倍。高密度版本可以實(shí)現(xiàn)10倍以上的芯片到芯片的通信速度，高達(dá)近2000倍的帶寬密度和20倍的能源效率。

臺(tái)積電的SoIC計(jì)劃于2021年投入生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)小間距HBM和SRAM存儲(chǔ)立方體以及類似3D的芯片架構(gòu)。臺(tái)積電研究員MF Chen在最近的一篇論文中說，與當(dāng)今HBM相比，“繼承了SoIC的DRAM存儲(chǔ)器立方體可以提供更高的存儲(chǔ)器密度、帶寬和功率效率。”

臺(tái)積電正在開發(fā)芯片對(duì)晶圓（Chip-to-Wafer）的混合鍵合技術(shù)。晶圓鍵合已經(jīng)在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和其他應(yīng)用中使用多年，且類型眾多?！拔㈦娮雍臀C(jī)電系統(tǒng)的制造和封裝依賴于兩個(gè)基板或晶片的鍵合，” Brewer Science的高級(jí)研究化學(xué)家Xiao Liu說道，“在微機(jī)電系統(tǒng)的制造過程中，器件晶圓將被粘合到另一個(gè)晶圓上，以保護(hù)敏感的MEMS結(jié)構(gòu)。直接鍵合技術(shù)（例如熔融鍵合和陽(yáng)極鍵合）或間接鍵合技術(shù)（例如金屬共晶、熱壓鍵合和膠粘劑鍵合）都是常用的方法。使用膠粘劑作為兩個(gè)基板之間的中間層，處理會(huì)更加靈活?！?/p>

銅混合鍵合最早出現(xiàn)在2016年，當(dāng)時(shí)索尼將這項(xiàng)技術(shù)用于CMOS圖像傳感器， 索尼從現(xiàn)在屬于Xperi的Ziptronix獲得了該技術(shù)的許可。

Xperi的技術(shù)稱為直接綁定互連（DBI），DBI在傳統(tǒng)的晶圓廠中進(jìn)行，并應(yīng)用于晶圓對(duì)晶圓的鍵合工藝，在這一過程中，先對(duì)晶圓進(jìn)行處理，然后將金屬焊盤凹入表面，使表面變得平滑。

分離晶圓也經(jīng)歷類似的過程，晶片使用兩步工藝鍵合，首先是電介質(zhì)互連，然后是金屬互連。

EV Group業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Thomas Uhrmann表示：“總體而言，晶圓對(duì)晶圓是設(shè)備制造的首選方法，在整個(gè)工藝流程中，晶圓都保留在前端晶圓廠環(huán)境中。在這種情況下，用于混合鍵合的晶圓制備在界面設(shè)計(jì)規(guī)則、清潔度、材料選擇以及激活和對(duì)準(zhǔn)方面面臨諸多挑戰(zhàn)。氧化物表面上的任何顆粒都會(huì)產(chǎn)生比顆粒本身大100至1，000倍的空隙。”

盡管如此，該技術(shù)已被證明可用于圖像傳感器，其他設(shè)備正在研究開發(fā)中。Uhrmann說：“計(jì)劃進(jìn)一步推出諸如堆疊SRAM到處理器芯片之類的器件?！?/p>

銅混合鍵合推動(dòng)先進(jìn)封裝

對(duì)于先進(jìn)芯片封裝，業(yè)界還致力于裸片對(duì)晶圓和裸片對(duì)裸片的銅混合鍵合，即將裸片堆疊在晶圓上、將裸片堆疊在中介層上或?qū)⒙闫询B在裸片上。

這比晶圓間鍵合更加困難。“對(duì)于裸片對(duì)晶圓的混合鍵合而言，處理不帶顆粒的裸片的基礎(chǔ)設(shè)施以及鍵合裸片的能力成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。” Uhrmann說，“雖然可以從晶圓級(jí)復(fù)制或改寫芯片級(jí)的界面設(shè)計(jì)和預(yù)處理，但在芯片處理方面仍存在許多挑戰(zhàn)。通常，后端工藝（例如切塊、裸片處理和在薄膜框架上的裸片傳輸）必須適應(yīng)前端清潔級(jí)別，才能在裸片級(jí)別獲得較高的粘合率。”

Uhrmann說，“晶圓對(duì)晶圓的鍵合方式正在發(fā)展，當(dāng)我看到這種方式的過程時(shí)，看到工具開發(fā)的方向時(shí)，我認(rèn)為這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的集成任務(wù)，但是臺(tái)積電這樣的公司正在推動(dòng)這個(gè)行業(yè)的發(fā)展，我們可以對(duì)其抱有期待?！?/p>

封裝的混合鍵合與傳統(tǒng)的IC封裝在某些方面是不同的。傳統(tǒng)上，IC封裝是在一個(gè)OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，委外封測(cè)代工廠）或封裝廠中進(jìn)行的，而銅混合鍵合卻是在晶圓廠的潔凈室中進(jìn)行，而不是OSAT中。與傳統(tǒng)封裝處理尺寸缺陷不同，混合鍵合對(duì)微小的納米級(jí)缺陷非常敏感，需要工廠級(jí)的潔凈室來防止微小缺陷干擾生產(chǎn)過程。

缺陷控制至關(guān)重要。賽博光學(xué)研發(fā)副總裁Tim Skunes說，“考慮到這些工藝使用已知的昂貴優(yōu)良裸片，失敗成本很高。在組件之間，有一些突起形成垂直的電氣連接，控制凸塊高度和共面性對(duì)于確保堆疊組件之間的可靠性至關(guān)重要。”

事實(shí)上，已知良好模具（KGD）至關(guān)重要。KGD是符合給定規(guī)格的未包裝零件或裸片，如果沒有KGD，封裝可能遭受低產(chǎn)或失敗。

KGD對(duì)封裝廠也很重要。“我們收到裸片，對(duì)其進(jìn)行封裝，并交付功能產(chǎn)品，合作方會(huì)要求我們提供非常高的產(chǎn)量?！睎|方電氣工程技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān)曹麗紅在最近的一次活動(dòng)中表示，“因此，我們希望KGD能夠經(jīng)過充分測(cè)試并功能良好。”

裸片對(duì)晶圓的混合鍵合類似于晶圓對(duì)晶圓的工藝。最大的區(qū)別在于芯片是用高速倒裝芯片鍵合器中檢測(cè)或在其他芯片上切割和堆疊的。

整個(gè)過程從晶圓廠開始，使用各種設(shè)備在晶圓上加工芯片，這部分被稱之為前段生產(chǎn)新（FEOL）。在混合鍵合中，兩個(gè)或更多的晶圓在流動(dòng)過程中被加工。之后，晶圓被運(yùn)送到生產(chǎn)線后端（BEOL）的特殊部分，使用不同的設(shè)備對(duì)晶圓進(jìn)行單一鑲嵌工藝。

單一鑲嵌工藝是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，通常是將氧化物材料沉淀在晶圓上，然后用微小的通孔對(duì)氧化物材料進(jìn)行蝕刻并繪制圖案，最后通過沉積工藝填充銅，繼而在晶圓表面上形成銅互連或焊盤，銅焊盤以微米為單位，相對(duì)較大。這一過程與當(dāng)今先進(jìn)的晶圓廠芯片生產(chǎn)類似，但對(duì)于高級(jí)芯片而言，最大的區(qū)別在于銅互連是納米級(jí)別的。

上述流程就是Xperi的新裸片對(duì)晶圓的銅混合鍵合工藝的最初模式，其他公司使用類似或有細(xì)微不同的流程。

Xperi晶圓對(duì)晶圓工藝的第一步是使用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）拋光晶圓表面，即通過化學(xué)方法和機(jī)械方法拋光表面。在這一過程中，銅焊板略微凹陷在晶圓表面，得到淺而均勻的凹槽，有較好的良率。

不過，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）實(shí)現(xiàn)過程困難，拋光過度會(huì)使銅焊盤的凹槽太大，最終可能導(dǎo)致某些焊盤無法接和，拋光不足則會(huì)留下銅殘留物造成短路。針對(duì)這一問題，Xperi開發(fā)出200nm和300nm CMP功能。Xperi工程部副總裁Laura Mirkarimi表示：“在過去十年中，CMP技術(shù)在設(shè)備設(shè)計(jì)、材料選擇和監(jiān)控方面都進(jìn)行了創(chuàng)新，能夠達(dá)到精準(zhǔn)控制，讓過程可重復(fù)且具有穩(wěn)定性。”

在經(jīng)過CMP之后，需要使用原子力顯微鏡（AFM）和其他工具對(duì)晶圓表面進(jìn)行測(cè)量，這一部分非常關(guān)鍵。

KLA的Hiebert說：“對(duì)于混合鍵合，測(cè)量鑲嵌焊盤形成后的晶圓表面必須采用亞納米精度，以確保銅焊盤苛刻的凹凸要求。銅混合鍵合的主要工藝挑戰(zhàn)包括晶圓表面缺陷控制、晶圓表面輪廓納米級(jí)控制以及控制頂部和底部芯片上的銅焊盤的對(duì)準(zhǔn)。隨著混合鍵距變小，例如晶圓對(duì)晶圓間距小于2μm或裸片對(duì)晶圓間距小于10μm，這些表面缺陷、表面輪廓和鍵合焊盤對(duì)準(zhǔn)挑戰(zhàn)變得更加重要?！?/p>

不過這可能還不夠，在某些時(shí)候，還會(huì)考慮到探測(cè)。FormFactor高級(jí)副總裁Amy Leong表示：“傳統(tǒng)上認(rèn)為直接在銅焊盤或銅凸塊上進(jìn)行探測(cè)是不可能的，如何在探針尖端和凸塊之間保持穩(wěn)定的電接觸是需要關(guān)注的重點(diǎn)?！?/p>

為此，F(xiàn)ormFactor開發(fā)了一種基于MEMS的探針設(shè)計(jì)，稱為Skate。結(jié)合低接觸力，尖端會(huì)輕柔地穿過氧化層，從而與凸塊形成電接觸。

完成計(jì)量步驟后，還需要對(duì)晶圓進(jìn)行清潔和退火處理，然后再使用刀片或隱形激光切割系統(tǒng)在晶圓上切割芯片，這將產(chǎn)生用于封裝的單個(gè)裸片。裸片切割極具挑戰(zhàn)性，若切割不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生顆粒、污染物和邊緣缺陷。

KLA的Hiebert說：“對(duì)于裸片之間的混合鍵合，晶圓切割和裸片處理增加了額外的顆粒生產(chǎn)源，必須對(duì)其進(jìn)行管理。由于晶圓的污染程度低得多，因此正在研究對(duì)晶圓對(duì)晶圓進(jìn)行離子切割的混合鍵合方案。”

切割之后是粘合，這一步驟需要使用倒裝芯片鍵合機(jī)直接從切割框架中拾取芯片，然后將芯片放置在主晶圓或其他芯片上，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)在常溫下立即結(jié)合。在銅混合鍵合中，芯片或晶圓先使用電介質(zhì)鍵合，再進(jìn)行金屬互連。

粘合過程對(duì)粘合劑的對(duì)準(zhǔn)精度提出挑戰(zhàn)，在某些情況下，對(duì)準(zhǔn)精度需要達(dá)到幾微米，業(yè)界一般需要達(dá)到亞微米級(jí)別。

“盡管裸片的對(duì)準(zhǔn)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但倒裝芯片鍵合機(jī)已經(jīng)向前邁了一大步，”EV Group的Uhrmann說：“晶圓間鍵合正朝著覆蓋層小于100nm的方向發(fā)展，因此符合先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的要求。對(duì)于裸片對(duì)晶圓，通常精度和生產(chǎn)量之間存在依賴關(guān)系，其中較高的精度可以通過較低的總體生產(chǎn)量來平衡。由于工具已經(jīng)針對(duì)諸如焊接和熱壓連接之類的后端工藝進(jìn)行了優(yōu)化，因此1μm的規(guī)格在很長(zhǎng)一段時(shí)間能都是足夠的?；旌鲜叫酒瑢?duì)晶圓鍵合改變了設(shè)備設(shè)計(jì)，這是由精度和設(shè)備清潔度引起的，下一代工具的規(guī)格將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于500nm?！?/p>

業(yè)界正在為這一目標(biāo)而努力，在ECTC上，BE半導(dǎo)體公司（Besi）展示了一種新的混合芯片-晶圓鍵合機(jī)原型的第一項(xiàng)成果，最終規(guī)格目標(biāo)為200nm、ISO 3潔凈室環(huán)境以及2000 UPH的300 mm晶圓基板。該機(jī)器包括零件晶圓臺(tái)、基板晶圓臺(tái)以及鏡面拾取和放置系統(tǒng)。該公司表示，機(jī)器會(huì)根據(jù)生產(chǎn)流程的需要自動(dòng)更換基板和晶圓組件，且為實(shí)現(xiàn)高精度，公司發(fā)布了用于快速穩(wěn)固高精度對(duì)準(zhǔn)的光學(xué)硬件。

不過，裸片對(duì)準(zhǔn)的探索仍未停止，往后可能會(huì)出現(xiàn)新的對(duì)準(zhǔn)問題或缺陷，與所有封裝一樣，混合粘合的2.5D和3D封裝可能需要經(jīng)歷更多的測(cè)試和檢查步驟。

小結(jié)

混合鍵合是一項(xiàng)可行的技術(shù)，可能催生新一類產(chǎn)品。不過客戶需要權(quán)衡其選擇并深挖其中的細(xì)節(jié)，并不是一件容易的事情。
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