什么是Hybrid Bonding？Hybrid Bonding是銅銅鍵合嗎？

在Hybrid Bonding前，2D，2.5D及3D封裝都是采用焊錫球凸點(diǎn)(solder bump)或微凸點(diǎn)（Micro bump）來(lái)實(shí)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(jìn)行連接。

圖1，Cu+Solder 統(tǒng)稱(chēng)為bump, 細(xì)分又可以分為Cu bump 和Solder Bump. 當(dāng)然Solder bump是植在銅柱 （Copper bump）上的。如圖2所示，當(dāng)copper bump pitch 小于10~20um時(shí)，焊錫球 solder bump就變成了工藝難點(diǎn)及缺陷的主要來(lái)源。這時(shí)候就需要一種新的工藝來(lái)解決bump 間距小于10微米芯粒間鍵合的問(wèn)題。當(dāng)然Hybrid Bonding在電學(xué)性能方面也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如圖3所示，Hybrid Bonding信號(hào)丟失率幾乎可以忽略不計(jì)，這在高吞吐量，高性能計(jì)算領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。在業(yè)界強(qiáng)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(hào)丟失對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)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(gè)Chip面對(duì)面的其它非導(dǎo)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(méi)有空隙的，不需要用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)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(diǎn)接合過(guò)程（d）高溫時(shí)接點(diǎn)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(chēng)其為DBI（Direct Bond Interconnect，直接鍵合連接），它是在20世紀(jì)80年代中期由Paul Enquist，Q.Y. Tong和Gill Fountain在三角研究所（RTI）的實(shí)驗(yàn)室首次構(gòu)思，DBI因其優(yōu)雅和簡(jiǎn)潔而成為鍵合大海上的明燈。他們?nèi)齻€(gè)后來(lái)在2000年成立了一家叫Ziptronix的公司，并于2005年實(shí)現(xiàn)了10um bump間距用DBI技術(shù)連接的鋁布線(xiàn)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(gòu)。在2019年，DBI/Hybrid Bonding技術(shù)由Xperi （前Tessera）完成了最終的專(zhuān)利布局，其本身沒(méi)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(xiàn)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(gè)DBIDBI/Hybrid Bonding量產(chǎn)的產(chǎn)品是由Sony在圖像傳感器上進(jìn)行應(yīng)用。這項(xiàng)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(pán)，以同時(shí)建立物理和電氣連接。由于Cu-Cu直接鍵合是在wafer生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行的，索尼開(kāi)發(fā)了原始的制造工藝來(lái)克服這些問(wèn)題，并成為世界上第一個(gè)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(tái)積電，英特爾、三星等大廠都開(kāi)始采用該工藝用于進(jìn)行3D封裝，并陸續(xù)推出用于CPU、GPU及高性能計(jì)算中。到今天，Hybrid Bonding已經(jīng)被叫的越來(lái)越響。



圖8，AMD Hybrid Bonding產(chǎn)品

最后我們?cè)僬務(wù)勏鄳?yīng)的設(shè)備廠家，Hybrid Bonding代表著未來(lái)，代表著研發(fā)實(shí)力，設(shè)備巨頭們都在積極跟進(jìn)。當(dāng)前主要有兩個(gè)實(shí)力強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合來(lái)爭(zhēng)奪先進(jìn)封裝設(shè)備中的塔尖。另外，根據(jù)新聞報(bào)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(guò)我們艾邦半導(dǎo)體公眾號(hào)對(duì)TCB（熱壓鍵合）設(shè)備的介紹，相信大家對(duì)TCB設(shè)備的復(fù)雜性已經(jīng)有一定的了解。

TCB設(shè)備升級(jí)改造后可以具備Hybrid Bonding的功能，但是后者的難點(diǎn)除了貼裝精度要求更高外，對(duì)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(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的原因。





審核編輯：劉清