混合键合是开辟先进封装创新未来的关键。混合键合提供了一种解决方案，可实现更高的带宽、更高的功率和信号完整性。由于业界希望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前途的解决方案，能够集成多个具有低于 10 µm 的小互连间距的芯片。
从云到边缘、从人工智能 (AI) 到 5G 通信，对半导体的需求不断增长，已经超出了传统硅微缩的能力。在“超越摩尔”时代，前沿半导体器件的性能要求要求半导体封装和异构集成中的极细间距（<10μm，甚至<1μm）互连。直接铜互连已成为半导体行业细间距互连的首选技术，对互连密度和器件性能具有显着优势。
混合键合，特别是作为一种低温直接铜键合技术，将在未来几年广泛应用于各种高性能半导体器件。它将促进经济上可行的节能计算的持续增长，例如利用基于小芯片的异构集成封装技术。混合键合技术是一种全固态连接技术（图1），它在室温下形成自发的电介质-电介质键合，然后通过低温批量退火工艺（150 – 300 o C），有可能实现亚微米键合间距。
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？
在三维封装时，微凸块通过使用芯片上的小铜凸块作为晶圆级封装的一种形式，提供了芯片之间的垂直互连。凸块的尺寸范围从 40 µm 间距到最终缩小到 20 µm 或 10 µm 间距。然而，这就是问题出现的地方；缩小到 10μm 以上变得非常具有挑战性，工程师正在转向一种新的解决方案来继续缩小尺寸。混合键合完全避免使用凸块，而是使用小型铜对铜连接来连接封装中的芯片，从而为 10 µm 及以下节距提供了解决方案。它提供卓越的互连密度，支持类似 3D 的封装和先进的存储立方体。
混合键合是一种永久键合，将介电键合 (SiOx) 与嵌入式金属 (Cu) 结合起来形成互连。它在业界被称为直接键合互连 (DBI)。混合键合通过键合界面中的嵌入式金属焊盘扩展了熔合键合，从而允许晶圆面对面连接。
为什么要使用混合键合？
混合键合通过紧密间隔的铜焊盘垂直连接芯片到晶圆(D2W) 或晶圆到晶圆 (W2W)。虽然 W2W 混合键合在图像传感领域已投入生产多年，但业界仍大力推动 D2W 混合键合的发展。这一发展将进一步实现异构集成，为直接连接不同功能、尺寸和设计规则的芯片提供强大而灵活的手段。
与其他键合技术相比，混合键合具有许多优势，包括：
允许高级 3D 设备堆叠
Highest I/O 最高输入/输出
实现低于 10 µm 的键合间距
更高的内存密度，增加功率，提高速度效率
消除了颠簸的需要，提高了性能，而没有功率和信号损失
用于混合键合的无机介电材料与聚合物介电材料：
化学机械抛光（CMP）是晶圆级封装的关键工艺之一。CMP 是一种通过化学和机械作用相结合来去除材料以获得高度光滑和平坦的材料表面的工艺。通过 CMP 工艺实现平坦表面的成本很高，这是使用 SiOx 作为介电材料的缺点之一。SiOx 要求通过 CMP 获得小于 1 nm 的平面表面粗糙度 (Ra)。无法获得平坦的表面可能是有害的，因为颗粒或铜凹陷会导致粘合线中出现空隙。此外，SiOx 在键合过程中不会发生回流，这会导致金属周围出现气隙。
下面是一个简化的过程，展示了如何在混合粘合中使用永久粘合粘合剂。在情况 A 中，将介电聚合物涂覆在铜柱上，然后在粘合前进行平坦化。在情况 B 中，在键合之前对聚合物进行图案化并通过双镶嵌方法形成铜柱。可光图案化介电材料的功能使这种流程成为可能。
随着混合键合技术和生态系统的成熟，将会出现更多有趣的应用，以利用互连密度和带宽的进一步扩展，特别是在人工智能计算时代，以增强计算和存储能力。3D V-Cache 和 3D NAND、高带宽内存 (HBM)、DRAM 多层堆叠以及 DRAM 与逻辑绑定等应用可满足更高带宽和更高能效的需求。硅光子学是另一个令人兴奋的应用，它利用光学 I/O 的高带宽、高功率效率和低损耗，通过混合键合实现 EIC/PIC 小芯片集成中电光互连的卓越性能。涉及 III-V 族半导体和玻璃中介层的异质集成应用也将出现，以利用混合键合。混合键合是集成小芯片架构的关键推动因素，它将在高性能半导体器件中得到普遍应用。预计混合键合技术的广泛采用将在未来几年内进一步扩大互连密度（1M/mm 2 ）。高互连密度与卓越性能（电气、热和可靠性）的结合使混合键合成为先进半导体器件引人注目的技术。
本文参考来源：https://www.3dincites.com/2024/05/hybrid-bonding-the-time-has-come/
