本文來自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，作者/邵逸琦。
當(dāng)我們站在2023這個(gè)節(jié)點(diǎn)談?wù)撔酒阅苤畷r(shí)，大家仿佛已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，先進(jìn)制程不再是提高性能的關(guān)鍵，每?jī)赡臧研酒w管密度提升一倍已經(jīng)變得極為困難，不論是臺(tái)積電，或是三星，再或是英特爾，把制程往前推進(jìn)1nm都要消耗比過往數(shù)倍乃至十幾倍的投入，簡(jiǎn)而言之，先進(jìn)制程，越來越不劃算了。
此時(shí)先進(jìn)封裝開始嶄露頭角，以蘋果和臺(tái)積電為代表，開啟了一場(chǎng)新的革命，其主要分為兩大類，一種是基于XY平面延伸的先進(jìn)封裝技術(shù)，主要通過RDL進(jìn)行信號(hào)的延伸和互連；第二種則是基于Z軸延伸的先進(jìn)封裝技術(shù)，主要通過TSV進(jìn)行信號(hào)延伸和互連。
前者為2D先進(jìn)封裝，代表為FOWLP和FOPLP等，而后者即為3D封裝，代表為SoIC和Foveros等，目前還有兼具兩種封裝特點(diǎn)的2.5D封裝，代表為CoWoS和EMIB等。
目前3D封裝大多應(yīng)用于提升HPC芯片的性能，常見于HBM與CPU、GPU、FPGA、或NPU等處理器彼此間的芯片整合。
如臺(tái)積電提出的SoIC整合封裝架構(gòu)，其主要利用W2W及C2W的混合鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)10um以下I／O節(jié)點(diǎn)互連、減少寄生效應(yīng)、并使芯片更薄等優(yōu)勢(shì)。
三星則于2020年推出名為X-Cube的3D封裝技術(shù)，將4顆SRAM堆疊在邏輯核心運(yùn)算芯片上，并通過TSV結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。
英特爾于2018年底推出名為Foveros的3D邏輯芯片封裝技術(shù)，通過TSV與Micro Bumps將不同芯片以Face-to-Face方式堆疊連接，目前Foveros技術(shù)能使凸點(diǎn)間距達(dá)到50um，未來有望縮減到10um，讓凸點(diǎn)數(shù)量達(dá)到每平方毫米10,000個(gè)。
在這幾種封裝方式里，其主要目的都是將不同類型的芯片，通過3D立體堆疊的形式整合在一起，從而實(shí)現(xiàn)高性能、小體積、低耗電等目標(biāo)優(yōu)勢(shì)，也即異構(gòu)集成。
混合鍵合革命
封裝中最早采用的引線鍵合（Wire Bonding），由于其接點(diǎn)僅能以周列形式排列在芯片周圍，接點(diǎn)的I／O數(shù)量有限，而IBM提出的倒裝接合（Flip Chip Bonding），利用焊錫微凸塊（Solder Bump）當(dāng)作接點(diǎn)將芯片與芯片接合在一起，接點(diǎn)為陣列式排列，可以分布于整個(gè)芯片上，可以提高接點(diǎn)I／O數(shù)量，不過這項(xiàng)技術(shù)在50μm或40μm的間距時(shí)表現(xiàn)尚可，人們很快發(fā)現(xiàn)，這種方式由于熱膨脹不匹配，會(huì)出現(xiàn)翹曲和芯片移位。
事實(shí)上，微凸塊一旦做到10微米以下的間距時(shí)，暴露的問題就愈發(fā)增多，當(dāng)凸塊結(jié)構(gòu)較大時(shí)，電鍍微凸塊高度的極小不均勻性或回流焊過程中的變化可能可以忽略不計(jì)，但對(duì)于細(xì)間距微凸塊，這些微小的變化可能會(huì)導(dǎo)致接合處形成不良，并影響電氣良率，最終導(dǎo)致晶粒和封裝出現(xiàn)缺陷。
銅─銅混合鍵合（Cu-Cu Hybrid Bonding）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將金屬接點(diǎn)鑲嵌在介電材料（Dielectric Material）之間，并同時(shí)利用熱處理接合兩種材料，利用銅金屬在固態(tài)時(shí)的原子擴(kuò)散來達(dá)到接合，故不會(huì)有Bridging問題。銅制程是半導(dǎo)體業(yè)非常成熟的技術(shù)，銅─銅接點(diǎn)的間距可以微縮到10μm以下，因此在1×1cm²的晶片內(nèi)，能夠制作出超過一百萬的接點(diǎn)，因此金屬的直接接合變得非常重要。
混合鍵合此前在業(yè)界通常被稱為DBI（Direct Bond Interconnect，直接鍵合），20世紀(jì)80年代中期，Paul Enquist，Q.Y.Tong和Gill Fountain在三角研究所（RTI）的實(shí)驗(yàn)室首次提出了這一技術(shù)，2000年，三人成立了Ziptronix公司，并于2005年推出了一種稱為低溫直接鍵合互連(DBI)的技術(shù)，這是混合鍵合的第一個(gè)版本。
它驗(yàn)證了低溫直接鍵合（Direct Bond Interconnection,DBI）的可行性，首先準(zhǔn)備好晶片具有SiO 2（介電材料）與銅（接點(diǎn)金屬），此時(shí)銅部分將會(huì)有點(diǎn)略低于介電材料厚度，利用電漿（Plasma）做表面活化處理，將晶片面對(duì)面在室溫下進(jìn)行對(duì)位接合，由于凡德瓦力作用已具有一定的接合強(qiáng)度，接著在100℃下持溫讓SiO 2與SiO 2之間進(jìn)行縮合反應(yīng)，形成強(qiáng)力共價(jià)鍵提高接合強(qiáng)度。接著再將溫度提高到300℃至400℃持溫，此時(shí)由于銅金屬的熱膨脹系數(shù)較SiO 2來的大，銅表面將會(huì)碰觸在一起，并自然受到一壓應(yīng)力，促使銅接點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)散接合。
有研究學(xué)者指出，想要達(dá)到低溫鍵合，介電材料層與金屬層在經(jīng)過化學(xué)拋光研磨后造成的高度差異將會(huì)是關(guān)鍵，研磨液與研磨參數(shù)的選擇是導(dǎo)致不同厚度的主因，厚度差越小，便可于較低溫度使銅表面接觸并開始進(jìn)行接合。
混合鍵合與倒裝接合比，它帶來了三大新優(yōu)勢(shì)，第一為可以達(dá)到超細(xì)間距與超小接點(diǎn)尺寸，實(shí)現(xiàn)更高I／O數(shù)量；第二，由介電材料接合取代底部填充劑，進(jìn)一步節(jié)省填充成本；第三，倒裝技術(shù)會(huì)讓芯片與基板或芯片片間存在約10至30μm的厚度，而混合鍵合幾乎沒有厚度，在多層堆疊的情況下可以大幅減少總體厚度。
目前銅─銅混合鍵合主要分為了三種方式，分別為最常見的晶圓到晶圓（W2W）工藝，芯片到晶圓（D2W）和芯片到晶圓（C2W）工藝，后兩種工藝目前還在研發(fā)當(dāng)中。
其中，W2W雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但它對(duì)于上下芯片的大小限制須為一樣大小，否則將有區(qū)域浪費(fèi)；D2W是將切割好的Die用臨時(shí)鍵合的方式粘到晶圓上，然后整片地和另一片產(chǎn)品晶圓整片鍵合再解鍵，這項(xiàng)技術(shù)容易累計(jì)誤差，且成本高，對(duì)Die的厚度變化范圍也有較高要求；C2W將切好的Die分別放置晶圓的對(duì)應(yīng)位置上，位置精度雖然提高且厚度變化要求不在嚴(yán)苛，但顆粒控制也是影響它繼續(xù)普及的問題。
2015年，發(fā)明混合鍵合技術(shù)的Ziptronix被Xperi收購，2019年，Xperi完成了混合鍵合技術(shù)的最終專利布局，而在此之前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給了包括索尼在內(nèi)的多家廠商。
從20世紀(jì)80年代的構(gòu)想，到2005年的初步驗(yàn)證，再到2015年之后的技術(shù)授權(quán)，混合鍵合歷經(jīng)三十余年，終于為先進(jìn)封裝鋪平了道路，解決了芯片廠商對(duì)封裝未來的最大疑慮，此后混合鍵合領(lǐng)域更是呈現(xiàn)出了一篇千帆競(jìng)逐的景象。
群雄決戰(zhàn)封裝
2016年，索尼首先將混合鍵合技術(shù)應(yīng)用在三星Galaxy S7的背照式CMOS影像傳感器（Backside-illuminated CMOS Image Sensor,BI-CIS）中，大幅提高了鏡頭解析度。目前索尼每年出貨數(shù)百萬個(gè)采用6.3微米間距混合鍵合技術(shù)的CMOS圖像傳感器，并堆疊了3個(gè)芯片，而其他公司采用的間距密度要低得多，出貨量也要小得多。
作為這項(xiàng)技術(shù)的急先鋒，索尼在2022年展示了1微米間距的面對(duì)面混合鍵合和1.4微米的背對(duì)背混合鍵合，而它之所以如此激進(jìn)，就是希望通過這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)分解和堆疊圖像傳感器像素的功能，以此捕捉更多光線和數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際的照片和視頻。
SK海力士最早將于2025年量產(chǎn)混合鍵合，并準(zhǔn)備將其用于HBM4產(chǎn)品，與現(xiàn)有工藝相比，混合鍵合提高了散熱效率并減少了布線長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)了更高的輸入/輸出密度，能夠把當(dāng)前的最大12層堆疊增加到16層。而SK海力士PKG技術(shù)開發(fā)負(fù)責(zé)人Ki-il Moon表示：“我們正在專注于該技術(shù)的開發(fā)（與混合鍵合相關(guān)），并且實(shí)際上已經(jīng)獲得了有意義的產(chǎn)量，該技術(shù)將于2025~2026年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。”
三星在2020年8月，就對(duì)外展示了其自己的3D封裝技術(shù)——X-Cube，全稱為“eXtended-Cube”，將SRAM層堆疊在邏輯層之上，允許多層超薄堆疊，其表示三星代工廠正在開發(fā)超細(xì)間距銅-銅混合鍵合，其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小于4微米的間距。
英特爾在2022年12月的IEEE國際電子器件會(huì)議上，宣布了全新的混合鍵合技術(shù)，gaijishu將互連間距繼續(xù)微縮到3微米，英特爾實(shí)現(xiàn)了與單片式系統(tǒng)級(jí)芯片（system-on-chip）連接相似的互連密度和帶寬，與IEDM 2021上公布的成果相比，英特爾在IEDM 2022上展示的最新混合鍵合技術(shù)將功率密度和性能又提升了10倍。
此外，2002年6月，CEA-Leti和英特爾宣布了一種全新的混合鍵合自對(duì)準(zhǔn)工藝，使用水滴的毛細(xì)力（capillary forces）來對(duì)齊目標(biāo)wafer上的die，該工藝有可能增加校準(zhǔn)精度以及每小時(shí)數(shù)千個(gè)芯片的制造吞吐量，采用取放工具后鍵合的最先進(jìn)的對(duì)準(zhǔn)是1µm，最好的情況是700nm，而新工藝提供低于500nm甚至小于200nm的后鍵合對(duì)準(zhǔn)。
imec高級(jí)研究員、研發(fā)副總裁兼3D系統(tǒng)集成項(xiàng)目主任Eric Beyne在IEDM的一篇論文中表示，目前imec的研究已經(jīng)證明了在7微米間距實(shí)現(xiàn)混合鍵合的可行性。imec官方表示，利用這項(xiàng)技術(shù)，芯片之間或芯片與硅中介層之間的3D互連密度比現(xiàn)有技術(shù)高出十六倍以上其開發(fā)間距小至3μm且具有高公差拾放精度的芯片間混合鍵合。
臺(tái)積電無疑是混合鍵合的集大成者，其SoIC封裝技術(shù)依靠混合鍵合，在芯片I/O上實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的接合間距可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了高密度的芯片到芯片互連，其鍵合間距從10微米以下開始，臺(tái)積電表示與目前業(yè)界最先進(jìn)的封裝解決方案相比，短芯片到芯片連接具有外形尺寸更小、帶寬更高、電源完整性和信號(hào)完整性更好以及功耗更低的優(yōu)點(diǎn)。此前，臺(tái)積電已經(jīng)展示了其第四代混合鍵合技術(shù)的研究成果，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)每平方毫米100,000個(gè)接點(diǎn)數(shù)量。
2021年底，AMD介紹了他們?cè)诜?wù)器處理器上已采用的臺(tái)積電混合鍵合技術(shù)，2022年初，AMD宣布Ryzen 7 5800X3D也采用了Hybrid Bonding技術(shù)，將7nm SRAM疊接在7nm處理器之上，銅─銅混合鍵合能提升200倍的接點(diǎn)密度，而且每個(gè)訊號(hào)傳遞所需的能量降低至三分之一以下。
值得一提的是，國內(nèi)的長(zhǎng)江存儲(chǔ)所推出的Xtacking架構(gòu)，即采用了W2W的混合鍵合技術(shù)，利用不同的工藝，先后制作Memory晶圓和CMOS晶圓，在后道制程中構(gòu)建兩者的觸點(diǎn)。通過混合鍵合，這些觸點(diǎn)被鏈接導(dǎo)通，Memory和CMOS在垂直方向?qū)崿F(xiàn)了互聯(lián)。
長(zhǎng)江存儲(chǔ)官方表示，混合鍵合在3D NAND閃存上實(shí)現(xiàn)數(shù)十億根金屬通道的連接，隨著層數(shù)的不斷增高，基于晶棧Xtacking所研發(fā)制造的3D NAND閃存將更具成本和創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)。
針對(duì)這一項(xiàng)新興技術(shù)，設(shè)備廠商們也未能置身事外，混合鍵合作為一項(xiàng)后道工藝，其設(shè)備主要由德國的蘇斯(Karl Suss)和奧地利的EVG(EV Group)所提供，日本的佳能和三菱目前也有意發(fā)展該鍵合設(shè)備，但目前市占率和技術(shù)水平還和歐洲廠商有一定差距。
混合鍵合即是未來？
對(duì)于混合鍵合技術(shù)來說，目前最大的應(yīng)用方式依舊是以索尼為代表的堆棧式CIS，經(jīng)過數(shù)年的優(yōu)化后，目前CIS領(lǐng)域在利用這項(xiàng)工藝時(shí)可謂是得心應(yīng)手，未來也有望實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的量產(chǎn)。
而第二大應(yīng)用領(lǐng)域無疑是DRAM和NAND，我們可以看到三星、海力士和長(zhǎng)江存儲(chǔ)等在這方面的積極布局，部分廠商已經(jīng)拿出了一定成果，可能在2025年，我們就能見到混合鍵合技術(shù)在該領(lǐng)域的量產(chǎn)落地。
而最后的應(yīng)用場(chǎng)景即以臺(tái)積電的SoIC技術(shù)為代表的3D先進(jìn)封裝，目前在AMD處理器上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，未來蘋果也有望在MacBook所搭載的M系列處理器上采用這一技術(shù)，其大規(guī)模投產(chǎn)可能也會(huì)在2025年左右。
芯片提升性能以往看制程，如今看封裝，封裝看向異構(gòu)集成，而異構(gòu)集成的過往難點(diǎn)就是鍵合，如今銅─銅混合鍵合日趨成熟，背后環(huán)環(huán)相扣的工藝就有望實(shí)現(xiàn)芯片性能的下一步飛躍，我們深信這一天已不再遙遠(yuǎn)。
參考來源
1.3D IC封裝：超高密度銅-銅異質(zhì)接合——matek
2.Hybrid Bonding takes Heterogeneous Integration to the Next Level——3dincites
3.Packaging Developments From ECTC 2022——semianalysis
