芝能智芯出品

混合键合技术在先进封装领域越来越受到关注，提供了功能相似或不同芯片之间最短的垂直连接，以及更好的热学、电气和可靠性结果。这种技术不仅能够缩小互连至亚微米间距，还能提供高带宽和增强的功率效率。

然而，尽管一些芯片制造商已经在大批量制造（HVM）中采用了混合键合，但目前该工艺的成本仍然较高，难以大规模推广。此外，混合键合将前端和后端生产线连接在一起，对芯片放置等组装工艺提出了更高的要求。

Part 1

技术进展与挑战

混合键合在亚微米间距和高互连密度方面具有显著优势，能够提供比焊料凸点更紧密的连接结构。

这种连接方式带来了更高的带宽、更低的功耗和更好的热管理能力，适用于对高性能要求严苛的AI芯片和存储模块等应用。例如，混合键合对于高带宽内存（HBM）和处理器-缓存堆叠而言尤其有效，能够在堆叠内实现多达16层的高效连接，同时保持较高的传输速度和低延迟。

混合键合展现出广泛应用前景，但其工艺尚未完全成熟。

● 一方面，混合键合要求前端和后端工艺无缝衔接，以适应更严格的芯片放置精度和对准需求。尤其在芯片对晶圆（Chip-to-Wafer）键合工艺中，晶圆平整度、铜凹陷均匀性和高精度对准都需达到极高标准。

● 降低颗粒水平和减少清洁过程中颗粒移动是确保键合质量的关键，工艺中偶尔会有颗粒残留，但这些颗粒若能够稳定地附着在表面，便不会显著影响键合效果。

在铜化学机械抛光（CMP）中，通过优化铜和电介质表面的平整度，制造商可以有效提升晶圆间均匀性，确保混合键合的高质量。

近期，一些工艺创新显著改善了混合键合的退火温度和效率。应用材料公司开发的300°C、5分钟退火工艺使得混合键合产量大幅提高，进一步缩小了500纳米间距的铜间隔电阻。与晶圆对晶圆键合相比，芯片到晶圆键合方案在大规模制造中更具灵活性，允许较小的芯片与较大的晶圆进行组合。

此类工艺中，一个重要的改进是采用多种载体材料（如硅和玻璃）以提高转移良率和键合率。imec展示的集体芯片到晶圆流程通过在有机激光释放层中添加声学层来吸收冲击波，从而减少了芯片损坏。

Part 2

应用与未来展望

混合键合技术在多个领域展现出广泛的应用前景。AI芯片和模块的高性能和高价格推动了混合键合技术的发展，这些应用需要高带宽和低功耗，混合键合能够满足这些需求。

高带宽内存（HBM）制造商可以采用混合键合或熔融键合技术，但后者存在一些缺点，如速度分级问题。CMOS图像传感器是混合键合技术的首批应用之一，现在该技术也被应用于其他领域，如处理器/缓存、3D NAND和microLED。

未来，随着设备制造商和材料供应商的合作，混合键合技术将不断改进，寻找降低成本和提高性能的方法。

● 新的退火工艺可以显著提高产量。

● 新的材料和工具也在开发中，以解决混合键合中的关键问题，如无机粘合剂粘合和激光脱模工艺可以提高键合质量和效率。

● 混合键合技术的发展也考虑到了可持续性，如减少水循环和保持水清洁的成本。

不同的应用有不同的需求，因此可能会出现几种不同的混合键合方法，直接芯片到晶圆键合和集体芯片到晶圆键合各有优劣。

小结

混合键合技术在可制造性方面取得了显著进展，但仍面临许多挑战。AI芯片和高带宽存储器等高性能需求成为混合键合技术的主要推动力。为了满足高密度互连的需求，电源管理和功耗优化成为关键。

未来，先进封装将更广泛地采用混合键合技术，支持更高效的芯片设计和多层堆叠，以满足下一代AI和大数据应用的计算需求。