颠覆芯片制造！混合键合加速半导体新时代

引言

当电子封装行业发展到3D封装时，微凸块通过在芯片上使用小铜凸块作为晶圆级封装的一种形式，提供芯片之间的垂直互连。凸块的尺寸范围从40微米节距到最终缩小到20微米或 10微米。

然而，问题就在这里——范围缩小到10微米以下变得非常具有挑战性，工程师们正在转向新的解决方案来继续缩小尺寸。混合键合通过完全避免使用凸块，为10微米及以下节距提供了解决方案，而是使用小型铜对铜连接来连接封装中的芯片。它提供了卓越的互连密度，可实现类似 3D 的封装和先进的内存立方体。

混合键合是一种永久性键合，将介电键合 (SiOx) 与嵌入式金属 (Cu) 相结合以形成互连。它被业界广泛称为直接键合互连 (DBI)。混合键合扩展了熔融键合，在键合界面处嵌入金属垫，从而实现了晶圆的面对面连接。

混合键合通过紧密间隔的铜垫垂直连接芯片到晶圆(D2W)或晶圆到晶圆(W2W)。虽然W2W混合键合已在图像传感领域投入生产多年，但业界强烈推动加快D2W混合键合的发展。这一发展将进一步实现异构集成，从而提供一种强大而灵活的方法，可直接连接不同功能、尺寸和设计规则的芯片。

混合键合的原理及优势

混合键合利用多种物理或化学机制在不同材料之间形成稳定的结合。

常见的键合方式包括：

•分子键合：利用范德华力或氢键实现表面结合。

•共价键合：通过化学反应形成牢固的键合，如Si-Si或SiO2-SiO2。

•金属-金属键合：如铜-铜（Cu-Cu）键合，广泛用于3D IC封装。

•热压键合：通过加热和压力增强材料之间的连接强度。

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

•最高 I/O

•实现亚10微米键合间距

•更高的存储密度

•扩展带宽

•增强功率

•提高速度效率

•无需使用碰撞，提高性能，且不会造成功率或信号损失

主要应用领域

•半导体封装与3D集成电路（3D IC）

采用Cu-Cu直接键合或SiO2-SiO2分子键合，提高互连密度和电信号传输效率。适用于TSV（硅通孔）和Chiplet（芯粒）封装技术。

•光电子与光学封装

在光通信模块、硅光子器件等领域，混合使用分子键合和金属键合，以优化光学对准和热管理。

•MEMS与传感器

结合玻璃-硅阳极键合、共价键合、焊料键合等，实现高气密封装，提高器件可靠性。

•功率电子与射频（RF）器件

适用于GaN、SiC等宽禁带半导体，提升导热性和机械强度，提高工作效率。

•生物医学器件

在微流控芯片、植入式传感器等应用中，采用PDMS-玻璃键合、共价键合等技术，保证生物相容性和密封性。

挑战与发展方向

•挑战

工艺复杂性：对表面平整度、清洁度要求较高，工艺控制难度大。

良率与成本：提高良率、降低制造成本仍是主要挑战。

可靠性：需要优化键合界面以防止界面失效。

•未来发展方向

优化工艺参数：提升键合界面的均匀性和可靠性。

自动化与量产：推动自动化生产，提高良率并降低成本。

异质集成发展：支持不同材料、不同功能芯片的集成，提高系统性能。

混合键合在企业中的应用

混合键合技术在企业中的应用主要涉及半导体制造、电子封装、光电技术、MEMS传感器及高端制造等领域。以下是一些具体应用案例：

1. 半导体制造与先进封装

(1) 3D IC 与 Chiplet 技术

企业：台积电（TSMC）、英特尔（Intel）、三星（Samsung）

应用：采用Cu-Cu（铜-铜）混合键合技术，实现高密度3D集成，提高信号传输速率，降低功耗。

在Chiplet（芯粒）设计中，利用混合键合进行异构集成，提升计算能力和封装效率。

(2) 晶圆级封装（WLP）

企业：台积电、Amkor、日月光（ASE）

应用：通过混合键合技术（如分子键合+金属键合），提高封装密度，增强散热性能，减少封装尺寸。

在高端手机处理器、AI 芯片、服务器芯片中广泛应用。

2. 光电子与硅光子器件

(1) 高速光通信模块

企业：华为、思科（Cisco）、英特尔、NVIDIA（Mellanox）

应用：采用混合键合（Si-玻璃+金属键合）技术制造光电转换芯片，提高光纤通信的速率和稳定性。

在数据中心、5G 基站等场景中，优化光模块的集成度和散热管理。

(2) AR/VR 显示技术

企业：Meta（Oculus）、苹果（Apple）、索尼（Sony）

应用：结合微显示器（Micro-LED）、硅基 OLED（Si-OLED）等技术，使用分子键合+金属键合提高显示精度和对比度。

在增强现实（AR）、虚拟现实（VR）头戴设备中实现更轻薄、高效的光学引擎。

结论

混合键合技术为高性能封装和先进器件集成提供了重要的技术支撑，特别是在3D IC、光电子、MEMS、功率器件和生物医学等领域。尽管仍面临工艺复杂性和可靠性等挑战，但随着技术的不断进步，未来，随着 AI 计算、自动驾驶、物联网等产业的快速发展，混合键合也将在企业中发挥更重要的作用。

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