在Hybrid Bonding前，2D，2.5D及3D封裝都是采用焊錫球凸點(solder bump)或微凸點（Micro bump）來實現(xiàn)芯片與基板，芯片與中介層(interposer), 芯片與芯片間的電連接。Solder bump/micro bump在制備工藝中都有植球的步驟，所植的球就是焊錫球（Solder bump），所以在Hybrid Bonding之前芯片間的連接都是靠焊錫球進行連接。

圖1，Cu+Solder 統(tǒng)稱為bump, 細分又可以分為Cu bump 和Solder Bump. 當然Solder bump是植在銅柱 （Copper bump）上的。如圖2所示，當copper bump pitch 小于10~20um時，焊錫球 solder bump就變成了工藝難點及缺陷的主要來源。這時候就需要一種新的工藝來解決bump 間距小于10微米芯粒間鍵合的問題。當然Hybrid Bonding在電學性能方面也有獨特的優(yōu)勢，如圖3所示，Hybrid Bonding信號丟失率幾乎可以忽略不計，這在高吞吐量，高性能計算領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。在業(yè)界強烈需求的呼喚下，Hybrid Bonding騰空出世。



圖2，不同bump間距（pitch）所采用BUMP形式



圖3，頻率與信號丟失對應(yīng)曲線圖

Hybrid Bonding中的Hybrid是指除了在室溫下凹陷下去的銅bump完成鍵合，兩個Chip面對面的其它非導電部分也要貼合。因此，Hybrid Bonding在芯粒與芯粒或者wafer與wafer之間是沒有空隙的，不需要用環(huán)氧樹脂進行填充。



圖4，圖源十輪網(wǎng)

混合鍵合流程圖：（a）試片未接合面貌（b）介電材料接合步驟（c）提高溫度銅接點接合過程（d）高溫時接點內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài) Hybrid Bonding是近幾年被叫響的，在之前業(yè)界通常稱其為DBI（Direct Bond Interconnect，直接鍵合連接），它是在20世紀80年代中期由Paul Enquist，Q.Y. Tong和Gill Fountain在三角研究所（RTI）的實驗室首次構(gòu)思，DBI因其優(yōu)雅和簡潔而成為鍵合大海上的明燈。他們?nèi)齻€后來在2000年成立了一家叫Ziptronix的公司，并于2005年實現(xiàn)了10um bump間距用DBI技術(shù)連接的鋁布線層，接著又在2011年發(fā)布2um bump間距用DBI技術(shù)完成wafer to wafer 連接。2015年Ziptronix被Xperi （前Tessera）收購。在2019年，DBI/Hybrid Bonding技術(shù)由Xperi （前Tessera）完成了最終的專利布局，其本身沒有量產(chǎn)的產(chǎn)品推出。



圖5，2005年Ziptronix發(fā)布10um間距 用DBI技術(shù)連接的鋁布線層



圖6，2011年Ziptronix發(fā)布2um間距用DBI技術(shù)完成的wafer to wafer連接

業(yè)界第一個DBIDBI/Hybrid Bonding量產(chǎn)的產(chǎn)品是由Sony在圖像傳感器上進行應(yīng)用。這項技術(shù)在堆疊的CMOS圖像傳感器的下部電路芯片和上部像素芯片中增加了Cu連接焊盤，以同時建立物理和電氣連接。由于Cu-Cu直接鍵合是在wafer生產(chǎn)過程中進行的，索尼開發(fā)了原始的制造工藝來克服這些問題，并成為世界上第一個推出該技術(shù)的公司。



圖7，Sony首款采用HybridBonding/DBI銅銅鍵合的傳感器

接著臺積電，英特爾、三星等大廠都開始采用該工藝用于進行3D封裝，并陸續(xù)推出用于CPU、GPU及高性能計算中。到今天，Hybrid Bonding已經(jīng)被叫的越來越響。



圖8，AMD Hybrid Bonding產(chǎn)品

最后我們再談?wù)勏鄳?yīng)的設(shè)備廠家，Hybrid Bonding代表著未來，代表著研發(fā)實力，設(shè)備巨頭們都在積極跟進。當前主要有兩個實力強勁的聯(lián)盟：Besi與Applied Material的BA聯(lián)盟以及香港的ASMPT與EV GROUP (EVG)的AE聯(lián)盟，巨頭們強強聯(lián)合來爭奪先進封裝設(shè)備中的塔尖。另外，根據(jù)新聞報道近期異軍突起的華封也在積極研發(fā)布局。如果您是我們的老朋友應(yīng)該看到過我們艾邦半導體公眾號對TCB（熱壓鍵合）設(shè)備的介紹，相信大家對TCB設(shè)備的復雜性已經(jīng)有一定的了解。

TCB設(shè)備升級改造后可以具備Hybrid Bonding的功能，但是后者的難點除了貼裝精度要求更高外，對晶粒及晶圓本身共面性、表面粗糙度、潔凈度等要求都極為苛刻。這也就是為什么一套Hybrid Bonding設(shè)備的研發(fā)需要巨頭們強強聯(lián)合的原因。





審核編輯：劉清