先进封装要求间距在10 µm以下

混合键合是在先进封装领域开拓创新未来的关键。混合键合提供了一种实现更高带宽、更高功率和信号完整性的解决方案。由于业界正在寻求通过扩展系统级互连来提高最终器件的性能，混合键合提供了最有希望的解决方案，能够集成几个互连间距小于10µm的芯片。了解混合键合的基本知识需要问三个基本问题：什么是混合键合，为什么使用混合键合以及哪种材料最适合您的应用？

什么是混合键合

了解混合键合需要了解先进封装行业的简要历史。当电子封装行业发展到三维封装时，微型绑定通过在模具上使用小铜凸块作为晶圆级封装的一种形式，在芯片之间提供垂直互连。凹凸的大小范围从40µm间距到最终缩小到20µm或10µm的间距。然而，这就是问题所在；缩小到超过10µm变得非常具有挑战性，工程师们正在寻求一种新的解决方案，以继续缩小尺寸。混合键合通过完全避免使用凸起，为10µm节距及以下提供了解决方案，而是使用小型铜对铜连接在封装中连接die。它提供了卓越的互连密度，支持类似3D的封装和高级内存立方体。

混合键合是一种将介电键（SiOx）与嵌入金属（Cu）结合形成互连的永久键合。它被业界称为直接键互连（DBI）。混合键合扩展了熔合键合，在键合界面中嵌入了金属焊盘，从而实现了晶片的面对面连接。

为什么使用混合键合

混合键合通过紧密间隔的铜焊盘垂直连接芯片到晶片（D2W）或晶片到晶圆（W2W）。虽然W2W混合键合已在图像传感领域投入生产数年，但业界正在大力推动D2W混合键合业的发展。这一开发将进一步实现异构集成，为直接连接不同功能、尺寸和设计规则的die提供了强大而灵活的方法。

与其他键合技术相比，混合键合具有许多优点，包括：

  • 允许高级3D设备堆叠
  • 最高I/o
  • 实现亚10-µm的粘结节距
  • 更高的内存密度
  • 扩展带宽
  • 功率增加
  • 提高了速度效率
  • 消除了颠簸的需要，在无电源和信号损失的情况下提高了性能。

图 3D高密度互连的测试和表征。来源：格勒诺布尔阿尔卑斯大学

混合键合用无机与聚合物介电材料

SiOx/金属杂化键合与聚合物/金属杂性键合之间的主要区别如下图所示。

化学机械抛光（CMP）是晶圆级封装的关键工艺之一。化学机械抛光（CMP）是一种通过化学和机械作用结合去除材料的工艺，以获得高度光滑和平面的材料表面。通过CMP工艺获得平面是昂贵的，这是使用SiOx作为介电材料的缺点之一。SiOx要求通过CMP的平面表面粗糙度（Ra）小于1 nm。无法获得平面表面可能是有害的，因为颗粒或铜盘蚀将导致结合线中出现空洞。此外，SiOx在键合过程中没有回流，这可能导致金属周围出现空气间隙。

下面是一个简化的过程，展示了如何在混合键合中使用永久粘合胶。在案例A中，在铜柱上施加一种介电聚合物，然后在键合之前进行平面化。在案例B中，聚合物被图案化，铜柱在键合之前通过双镶嵌方法形成。光图案化介电材料的功能性使这种流动成为可能。

混合键合是为下一代封装器件开发的创新技术。最新的光敏永久性键合材料将成为布鲁尔科学公司永久性键合专业知识的补充。本综述讨论了混合键合的基础知识，以获得基本的理解。