3D Cu-Cu混合鍵合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展

來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體芯聞（ID:MooreNEWS）

先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的凸塊技術(shù)已取得顯著發(fā)展，以應(yīng)對(duì)縮小接觸間距和傳統(tǒng)倒裝芯片焊接相關(guān)限制帶來(lái)的挑戰(zhàn)。該領(lǐng)域的一項(xiàng)突出進(jìn)步是 3D Cu-Cu 混合鍵合技術(shù)，它提供了一種變革性的解決方案。

隨著焊料凸點(diǎn)間距縮小，會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。凸塊高度和接合表面積的降低使得建立可靠的電氣連接變得越來(lái)越困難，因此需要精確的制造工藝來(lái)避免錯(cuò)誤。關(guān)鍵的共面性和表面粗糙度變得至關(guān)重要，因?yàn)榧词故俏⑿〉牟灰?guī)則性也會(huì)影響成功的粘合。

制造面臨一些障礙，例如由于銅柱和凸塊直徑較小而導(dǎo)致蝕刻困難，從而更有可能發(fā)生底切。隨著有效確保均勻性和控制共面性變得更加困難，電化學(xué)沉積 (ECD) 電鍍變得更加復(fù)雜。此外，隨著凸塊尺寸不斷縮小，接合質(zhì)量對(duì)凸塊共面性、表面粗糙度和硬度等因素的敏感性使得對(duì)溫度、時(shí)間和壓力等參數(shù)的調(diào)整變得復(fù)雜。

傳統(tǒng)的倒裝芯片接合方法僅限于 50μm 或 40μm 的間距，由于熱膨脹不匹配導(dǎo)致翹曲和芯片移位，因此會(huì)遇到可靠性問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體行業(yè)正在轉(zhuǎn)向熱壓接合 (TCB)，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的細(xì)間距接合應(yīng)用，包括小至 10μm 的間距。TCB 為實(shí)現(xiàn)不斷發(fā)展的半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域所需的精度和可靠性提供了一條有前途的途徑，從而突破了電子設(shè)備小型化和性能的界限。

然而，當(dāng)接觸間距減小到 10 微米左右時(shí)，出現(xiàn)了一些問(wèn)題。焊球尺寸的減小會(huì)增加金屬間化合物 (IMC) 形成的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低導(dǎo)電性和機(jī)械性能。此外，在回流焊過(guò)程中，焊球接觸并導(dǎo)致橋接故障的可能性可能會(huì)導(dǎo)致芯片故障。這些限制在高性能組件封裝場(chǎng)景中變得越來(lái)越成問(wèn)題。

為了克服這些問(wèn)題，銅-銅混合鍵合技術(shù)成為了游戲規(guī)則的改變者。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)涉及在介電材料之間嵌入金屬觸點(diǎn)，并使用熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)銅原子的固態(tài)擴(kuò)散，從而消除與焊接相關(guān)的橋接問(wèn)題。

混合鍵合相對(duì)于倒裝焊接的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。

首先，它實(shí)現(xiàn)了超細(xì)間距和小觸點(diǎn)尺寸，有利于高 I/O 數(shù)量。這對(duì)于現(xiàn)代半導(dǎo)體封裝至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)備需要越來(lái)越多的連接來(lái)滿足性能需求。

其次，與通常依賴底部填充材料的倒裝焊接不同，銅-銅混合鍵合不需要底部填充，從而減少了寄生電容、電阻和電感以及熱阻。

最后，銅-銅混合鍵合中鍵合連接的厚度減小，幾乎消除了倒裝芯片技術(shù)中 10-30 微米厚度的焊球，為更緊湊、更高效的半導(dǎo)體封裝開(kāi)辟了新的可能性。

銅-銅混合鍵合技術(shù)為先進(jìn)半導(dǎo)體封裝帶來(lái)了巨大的前景，但它也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)的發(fā)展。

目前Cu-Cu混合鍵合有三種方式。晶圓到晶圓（W2W）工藝是最常用的，而芯片到晶圓（D2W）或芯片到晶圓（C2W）工藝正在深入研究開(kāi)發(fā)中，因?yàn)樗梢詽M足更多需要集成不同尺寸的應(yīng)用。

對(duì)于所有這三種方式，制造中的一個(gè)關(guān)鍵方面是鍵合環(huán)境，其中通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 優(yōu)化實(shí)現(xiàn)平坦且清潔的電介質(zhì)表面至關(guān)重要。此外，開(kāi)發(fā)能夠承受較低退火溫度和較短持續(xù)時(shí)間的介電材料對(duì)于最大限度地減少鍵合過(guò)程中晶圓變形和翹曲的可能性至關(guān)重要。優(yōu)化的銅溶液電化學(xué)沉積 (ECD) 還可以減少退火時(shí)間并降低退火溫度，從而提高效率。

就 D2W/C2W 工藝而言，解決與芯片分割和邊緣效應(yīng)相關(guān)的挑戰(zhàn)以及最大限度地減少芯片和晶圓上的污染將是關(guān)鍵。需要高精度貼片機(jī)來(lái)確保精確的芯片貼裝，并將公差縮小至低至 0.2μm。為了適應(yīng)潛在的放置錯(cuò)誤，必須使用更大的銅焊盤(pán)。此外，先進(jìn)的薄晶圓處理技術(shù)將在確保銅-銅混合鍵合的成功實(shí)施方面發(fā)揮重要作用。

銅-銅混合鍵合的未來(lái)發(fā)展可能會(huì)集中在改進(jìn)和優(yōu)化工藝的這些關(guān)鍵方面。這包括 CMP、介電材料、ECD 解決方案和拾放機(jī)械方面的進(jìn)步，以及處理薄晶圓方面的創(chuàng)新?？朔@些挑戰(zhàn)將為先進(jìn)半導(dǎo)體封裝中更廣泛采用銅-銅混合鍵合鋪平道路，從而能夠創(chuàng)建更小、更強(qiáng)大且節(jié)能的電子設(shè)備。

審核編輯：湯梓紅