一文搞懂Hybrid Bonding机械连接结构及剪切强度测试

随着AI芯片、3D IC、Chiplet及高密度异构集成技术的发展，先进封装对芯片互连密度、信号传输效率和封装尺寸提出了更高要求。相对传统的Micro Bump微凸点互连，Hybrid Bonding（混合键合）通过金属与介电层协同键合，为高密度芯片互连提供了新的技术路径。由于键合界面尺寸小、结构复杂，表面平整度、对准精度、界面结合强度以及热机械应力都可能影响封装可靠性。

Besi 晶圆混合键合实拍

那么，Hybrid Bonding混合键合到底是什么？有哪些关键机械连接结构？Cu-Cu键合、介电层键合及芯片整体连接分别如何进行机械可靠性测试？Alpha-W260推拉力测试机又能应用于哪些测试场景？本文科准测控小编将从混合键合结构出发，为您介绍相关测试方法及设备应用。

一、什么是Hybrid Bonding混合键合？

Hybrid Bonding，即混合键合，是一种同时利用金属—金属连接和介电层—介电层键合，实现芯片或晶圆之间高密度互连的先进封装技术。

典型混合键合结构主要包含两部分：

Cu-Cu金属键合区域：由上下铜焊盘形成直接连接，主要承担电信号传输功能。

介电层键合区域：由SiO₂、SiCN等介电材料形成连接，承担结构结合及电气隔离作用。

混合键合实拍 SEM 剖面图

按照键合对象不同，主要包括：

Wafer-to-Wafer（W2W）晶圆对晶圆键合：两片晶圆整体对准并完成键合，适用于特定的3D集成结构。

Die-to-Wafer（D2W）芯片对晶圆键合：将独立芯片键合至目标晶圆，可用于不同功能芯片的异构集成。

混合键合能够支持更小的互连间距，但同时也对表面粗糙度、铜焊盘凹陷量、对准偏差及界面缺陷控制提出更高要求。

二、Hybrid Bonding有哪些关键机械连接结构？

混合键合虽然以Cu-Cu直接互连为核心，但其机械可靠性并不只取决于铜焊盘。介电层、金属与介电材料之间的界面，以及芯片整体键合结构，都会影响封装的机械完整性。

1. Cu-Cu铜铜键合界面

Cu-Cu键合是混合键合实现电气互连的关键结构。

上下芯片或晶圆中的铜焊盘通过精密对准、接触及后续工艺形成金属连接。

影响其连接可靠性的因素包括：

铜焊盘表面氧化或污染；

铜焊盘凹陷量（Cu Recess）不合理；

上下铜焊盘对准偏差；

键合及退火工艺不充分；

界面空洞或局部未键合。

这些问题可能导致铜焊盘局部接触不足、界面开裂或电气互连失效。

2. 介电层—介电层键合界面

介电层键合是混合键合区别于传统焊料凸点互连的重要特征。

常见材料包括SiO₂、SiCN等。上下介电层通过表面处理、贴合及后续工艺形成结合界面。

其可靠性主要受到以下因素影响：

表面粗糙度与平整度；

表面污染和残留物；

表面活化状态；

局部空洞及未键合区域；

热膨胀失配产生的界面应力。

如果介电层结合强度不足，在温度循环或机械载荷作用下可能出现界面裂纹、局部分层等问题。

3. Cu/介电层相邻区域

混合键合中的铜焊盘与介电层共同构成复合键合界面。

由于铜和介电材料在弹性模量、热膨胀系数等方面存在差异，温度变化可能使两种材料相邻区域产生局部应力集中。

当局部应力超过材料或界面的承载能力时，可能发生：

铜焊盘边缘裂纹；

介电层局部开裂；

铜/介电材料界面分离；

裂纹沿键合界面扩展。

因此，混合键合失效并不一定发生在Cu-Cu连接位置，也可能发生在铜焊盘周围的介电层或其他材料界面。

4. 芯片整体键合结构

对于D2W混合键合，独立芯片与目标晶圆之间形成由多个Cu-Cu连接和介电层共同组成的复合键合界面。

其机械强度受到芯片尺寸、键合面积、铜焊盘分布、界面缺陷以及加载方式等因素影响。

典型失效包括：

芯片整体脱离；

局部键合界面分层；

芯片边缘裂纹；

芯片本体破裂。

这类结构的测试结果通常反映整个键合区域的综合机械响应。

三、Hybrid Bonding不同机械连接结构分别怎么测试？

混合键合机械可靠性测试的重点，是评价键合结构在外部载荷下的承载能力，并确定失效发生的位置。根据键合结构、试样尺寸和测试目的，可以采用剪切、拉脱、界面断裂等不同方法。

1. Cu-Cu键合界面：剪切强度测试（Shear Test）

测试目的：评价Cu-Cu连接结构在剪切载荷作用下的机械承载能力，并分析铜连接界面及相邻材料的失效情况。

测试方法：将试样固定在测试平台上，根据试样尺寸和预计载荷选择合适的剪切刀具或夹具。随后沿预定方向施加剪切载荷，记录最大剪切力、力—位移曲线及破坏位置。

对于受力条件适合的试样，可通过最大剪切力与规定受剪面积计算名义剪切强度：t=Fmax/A其中，Fmax为最大剪切力，A为按试验方案确定的有效受剪面积。

失效分析重点区分：Cu-Cu连接界面分离；铜材料本体破坏；铜焊盘周围介电层破坏；基体或其他界面失效。

2. 介电层键合界面：界面断裂测试

测试目的：评价介电层键合界面的抗分层能力，以及裂纹在界面扩展时所需的能量。

测试方法：对于SiO₂-SiO₂、SiCN-SiCN等介电层键合结构，可以根据试样形式采用双悬臂梁测试（DCB）或四点弯曲测试（4PB）。与普通剪切测试不同，这类方法更关注裂纹扩展行为，而不仅是最大破坏载荷。

失效分析：测试后需要确认裂纹是否沿预期键合界面扩展。如果裂纹进入介电层内部或其他材料区域，则需要根据实际裂纹路径重新解释测试结果，不能直接作为目标界面的断裂能。

3. Cu/介电层相邻区域：局部机械测试与截面分析

测试目的：评价铜焊盘边缘、介电层及相邻材料区域的局部机械响应，分析热机械应力集中可能引起的失效。

测试方法：由于该区域尺寸通常较小，且受到多种材料共同约束，需结合纳米压痕测试、专门设计的微尺度力学试样、FIB截面分析、SEM断口观察、热循环前后结构对比。对于局部裂纹或界面脱离，还需要结合截面形貌及必要的力学分析判断失效机理。

4. 芯片整体键合结构：Die Shear与拉脱测试

测试目的：评价芯片与晶圆或基板之间整体键合区域的机械连接强度，识别芯片脱离、界面分层及芯片本体破坏等失效模式。

测试方法：将试样固定在测试平台上，通过显微系统定位芯片边缘。根据芯片厚度、键合面积及预计载荷选择剪切刀具，并设置合适的接触高度和加载速度。随后沿平行于键合面的方向施加载荷，记录最大剪切力及力—位移变化。对于具备可靠夹持或专用加载结构的试样，也可以采用垂直拉脱测试，评价整体键合结构在法向载荷下的承载能力。

失效分析主要包括：芯片与晶圆整体分离、Cu-Cu及介电层复合界面分层、局部介电层开裂、芯片本体破裂。

四、推拉力测试机在Hybrid Bonding中的应用

Hybrid Bonding混合键合具有互连间距小、键合界面复杂、测试位置精密等特点。在进行机械可靠性测试时，需要根据实际试样结构选择测试方法，而不能直接沿用传统焊球或微凸点剪切方案。

科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据试样尺寸、预计测试力值和连接结构，评估配置相应力值模块、剪切刀具及专用夹具，用于相关机械连接强度测试。

实际应用中，需要重点关注以下参数。

1. 测试力值范围

根据键合面积和预计破坏载荷选择合适的力值模块，保证测试力值与传感器量程匹配。

2. 剪切刀具与加载位置

针对芯片级键合结构，需要根据芯片尺寸、厚度及周围空间选择合适的剪切刀具，避免加载位置不当导致芯片本体提前破坏。

3. 剪切高度与加载速度

剪切高度会影响芯片受力状态及破坏模式。测试时应根据试样结构和试验方案设置相应参数，并在同组试样之间保持一致。

4. 样品夹持与定位

对于小尺寸芯片及专用键合试样，应保证夹持稳定，避免基板滑移、夹具变形等因素影响测试结果。

5. 测试数据与失效模式

除最大剪切力外，还应结合力—位移曲线、断口形貌和界面残留情况，分析连接结构的实际破坏位置。

通过合理设计试样及加载方案，推拉力测试可以为Cu-Cu键合工艺优化、芯片级连接强度评价及封装失效分析提供机械测试数据。

以上就是科准测控小编为您介绍的Hybrid Bonding混合键合结构、机械可靠性测试方法及推拉力测试机应用。如果您对Cu-Cu键合剪切测试、芯片连接强度测试或Alpha-W260自动推拉力测试机选型有疑问，欢迎联系科准测控获取专业技术支持。