混合键合：下一代封装技术的关键

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混合键合：下一代封装技术的关键

引言

大家好，今天我要为大家介绍先进3D封装的混合键合基础知识。我是William，非常激动能够向大家介绍这项创新技术，它将极大地推动下一代封装设备的发展。首先，我们会从互连技术的历史开始，回顾目前用于日常设备的一些传统技术。接着，我会详细讲解混合键合的概念以及它是如何发展起来的。然后，我会介绍混合键合相比现有方法的主要优势。最后，我会解释制造过程，让大家对其中的原理和评估方法有一个基本的了解。废话不多说，让我们开始内容的探索吧！

历史

互连技术最早应用于集成电路和封装设备中的第一个形式是金属线键合。金属线键合简单可靠，易于大规模生产。然而，焊料凸点是一种更先进的互连形式，它们可以取代金属线键合，实现更短、更直接的器件连接。焊料凸点不仅更便宜，而且性能和可靠性更好。另一种比混合键合更先进的互连形式是硅内插板。硅内插板通过以下方式将连接水平重定向并通过硅通孔在垂直方向上进行连接，结合焊料凸点的使用，实现异构集成，即将多个芯片集成到一个封装中。硅内插板将简单的连接方式转变为一个更复杂的系统，可以根据需要精确引导每颗芯片到封装上的不同位置。

传统的互连技术

金属线键合

金属线键合是最早应用于集成电路和封装设备中的互连形式。金属线通常由铝或金等导电金属制成，用于在芯片和底座之间形成电气连接。这些金属线通过冶金焊接固定在键合垫上，制作工艺相对简单，可靠性较高。大规模生产也比较容易。

优点：

制造工艺简单易操作
可靠性高
适合大规模生产

缺点：

连接距离较远，存在信号传输延迟
限制了互连密度的提高

焊料凸点

焊料凸点是比金属线键合更先进的互连形式，但仍然相对简单。焊料凸点可以取代金属线键合，并实现更短、更直接的器件连接。更重要的是，它们支持翻转芯片式连接，这在简单和先进的封装设备中广泛使用。焊料凸点在几乎所有方面都比金属线键合有所改进，成本更低，性能和可靠性更好。

优点：

成本较低
性能和可靠性更好
支持翻转芯片式连接

缺点：

互连密度仍有限制，距离较远的连接仍然存在

硅内插板

硅内插板是除了混合键合以外最先进的互连形式。它是介于底座和芯片之间的一层硅材料，通过重新分配层将连接水平重定向，并通过硅通孔在垂直方向上进行连接。结合焊料凸点的使用，硅内插板实现了异构集成，即在一个封装中集成多个芯片。硅内插板将简单的连接方式转变为一个更复杂的系统，具有极高的连接设计自由度，可精确引导每颗芯片到封装上的不同位置。

优点：

异构集成，多个芯片集成到一个封装中
可以实现复杂的连接设计

缺点：

制造工艺复杂
成本较高

混合键合的概念

混合键合是一种介电键合和金属键合同时进行的互连形式，用于在两个晶片或晶圆之间形成连接，取代焊料凸点的使用，实现更直接的连接。这一处理过程在低温下进行，以实现高强度键合。在低温下处理组件非常有益，因为在BEOL（后端线路）处理后仍可以保持在热预算范围内。热预算是指在避免对已设计的器件产生间接损坏的情况下，在晶圆上进行加工的最高温度。

优点：

相比现有方法，能够实现更小的互连距离
提供更高的互连密度
连接更直接，减少延迟和功耗
电气特性优越，减少电容和涡电流

缺点：

制造过程要求极高的精度和一致性

混合键合的优势

混合键合相比传统互连技术具有许多优势。最大的优势是能够实现更小的互连距离，使互连密度提高近两个数量级。这种改进对于要求更高互连密度以维持或增加功能性的设备来说非常重要。而要实现更小的互连距离，需要极高的精度和精密加工技术。

混合键合还具有改善的电气特性。由于连接更直接、距离更短，它减少了操作的延迟和功耗，并使互连器件能够像单片封装一样工作。与焊料相比，金属之间的电容减少了近90%，直接连接有助于减少由接口附近的电感器产生的涡流。

总结：

更小的互连距离，提高互连密度
电气特性优越，减少延迟和功耗

制造过程

混合键合的制造过程中，最重要的准备工作是确保介电层表面尽可能平整和干净。纳米级的拓扑结构非常重要，因为任何小型颗粒或缺陷都可能导致成千上万个连接失败。一旦在键合之前表面存在微小的颗粒或缺陷，它们就会在两个晶圆之间形成大量的空隙区域，破坏金属垫之间的键合过程，导致连接无法正常工作。通过化学机械抛光等专有工艺，可以实现光滑的介电粗糙度，不同制造商使用各自的研磨液配方和研磨参数来实现。

第二个准备工作是在介电层上从金属垫处形成下凹间隙，形成所谓的下凹间隙，这在退火过程中非常重要。

表面处理和准备

平整和干净的介电层表面是非常重要的准备工作。通过化学机械抛光可以实现光滑的表面。不同制造商根据自己的要求采用各自的抛光液配方和参数。通过原子力显微镜可以测量晶圆的平整度，以评估下凹间隙的大小。

键合过程

键合过程分为两个步骤：表面活化和键合。表面活化是通过等离子体将介电层表面激活为亲水性，与混合键合相似。通过测量接触角可以对表面活化进行评估。一旦表面被活化，晶圆以室温相互接触，并经历称之为亲水氧化物键合的自发键合过程。自发键合形成了两个晶圆介电层之间的非常强固的键合，但在金属垫之间留下了下凹间隙，这里的比例并不按实际尺寸绘制。

为了填充这个下凹间隙，通常需要将系统退火，通常在300摄氏度左右。由于金属的热膨胀系数通常远大于氧化物的膨胀系数，氧化物的尺寸相对稳定。在第三个步骤中，由于金属的膨胀，下凹间隙逐渐消失，金属垫彼此之间形成强固的键合。在接续填补下凹间隙后，内部压力和持续的加热将增加扩散的驱动力，并使每个金属的晶体结构与另一个形成强大的键合，还可以使结晶结构松弛，减少可能散射任何试图通过它移动的传导电子的缺陷和晶界。

键合质量评估

完成键合制造过程后，需要评估键合的质量。理想情况下，键合不应有任何空洞、晶界或其他缺陷，这些缺陷可能会降低金属互连的导电效率。可以使用扫描电子显微镜进行评估，以搜索键合界面上的任何缺陷。扫描电子显微镜图像可以直观地显示出任何缺陷，并检查连接的对齐情况。可以将扫描电子显微镜与能谱仪（EDS）结合使用，生成键合界面的成分图，有助于检测任何杂质元素。

键合质量还可以使用扫描声学显微镜进行评估。可以通过扫描声学显微镜轻松检测到键合区域的空洞数量和大小，尽管这些空洞在图中并不是按比例绘制的。还可以看到另一种扫描声学显微镜测量示例中，几个空洞的存在，并且其大小和数量是明显的。

对于能够精确检测金属连接是否对齐的需求，可以使用接触角度计测量。