Hybrid bonding成先进封装显学，用的最多芯片的公司不是台积电

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混合键合:先进封装的未来之路

半导体产业正面临着前所未有的机遇与挑战。随着人工智能、高性能计算、5G通信等新兴应用的快速发展，对芯片性能、功耗和集成度的要求与日俱增。传统的芯片制程缩小已接近物理极限，单纯依赖二维平面集成已难以满足未来需求。在这一背景下，混合键合（hybrid bonding作为一种先进的三维异质集成技术，正成为推动半导体产业持续创新的关键驱动力。

I. 混合键合技术概述

混合键合是一种将芯片直接面对面键合的先进封装技术。它通过在芯片表面嵌入金属（通常为铜和介质层（如SiO2，利用固态扩散原理在室温下预键合，再经高温退火实现永久金属-金属和介质-介质键合，从而在芯片之间形成高密度互连。

这种独特的键合方式使混合键合能够实现10微米以下的超细互连节点，大幅提升了芯片的I/O带宽和功率传输能力。与传统的焊球键合相比，混合键合无需填充介质，可有效降低寄生电容、电阻和电感，提高信号完整性和功率效率。

优势和应用领域

混合键合技术的主要优势包括:

超高互连密度，有望实现1微米以下的节点间距

大幅提升带宽和功率传输能力

降低功耗和热阻，提高能效

减小封装体积，实现更紧凑的三维堆叠

与现有CMOS制程兼容，易于量产推广

目前，混合键合技术已在CMOS图像传感器、3D纳米存储器、高带宽内存（HBM等领域取得应用，未来还将推广至CPU、GPU、AI加速器等高性能运算芯片，成为异质集成和芯片堆叠的核心解决方案。

II. 关键工艺步骤

铜填充和化学机械抛光

混合键合工艺的首要步骤是在芯片表面制作出均匀分布的铜填充区。这通常需要利用damascene工艺在介质层（如SiO2中蚀刻出微小的空腔，再通过物理气相沉积（PVD和电化学沉积（ECD的方式将空腔填充上种子层和铜金属。

为确保后键合的平整度和清洁度，需对芯片表面进行精密的化学机械抛光（CMP，将铜填充区和介质层的表面粗糙度控制在1纳米以内。这是混合键合工艺中最为关键的一个环节，对CMP参数的优化将直接影响键合质量和良率。

表面活化和对准

在完成CMP后，需要对芯片表面进行等离子体活化处理，使介质层表面产生大量游离键，为后的室温预键合做好准备。通过精密的对准系统，将两片待键合芯片的铜填充区和介质层高度对准，误差控制在100纳米以内。

室温键合和高温退火

经过表面活化和对准后，两片芯片在室温下即可发生自发性的预键合，形成初步的介质-介质键合。为实现永久性的金属-金属和介质-介质键合，需将预键合的芯片在300℃左右的高温下退火数小时。

在这个过程中，铜金属会发生固态扩散，形成金属间的金属键；同时介质层之间也会发生化学反应，形成共价键，从而实现永久性的混合键合。

III. 现有挑战

超平整度和清洁度要求

混合键合对芯片表面的平整度和清洁度要求极为苛刻。任何微小的颗粒、划痕或凹凸不平，都可能导致键合面出现空穴或未键合区域，影响芯片的性能和可靠性。

CMP工艺的优化、清洗流程的改善、无尘操作环境等都是确保高良率的关键因素。随着互连节点的进一步缩小，对表面平整度的控制将更加严格，给制程带来巨大挑战。

纳米级对准精度

混合键合需要将两片芯片的铜填充区和介质层高度对准在100纳米以内。这一要求已远超过传统键合工艺，对对准系统的精度和重复性提出了极高的要求。

任何微小的对准偏差，都可能导致金属填充区无法正确对准而影响电性能，或者引起应力集中而降低可靠性。对准精度的要求还将进一步提高，有望实现10纳米量级的对准控制。

后道工序兼容性

混合键合是在芯片制造的后段进行的，因此需要与前道工艺（如FEOL和BEOL兼容，并且对后的切割、测试、封装等环节也不能造成影响。

例如，混合键合的高温退火工艺可能会影响器件的特性，因此需要优化退火温度和时间，在性能和可靠性之间寻求平衡。薄芯片的切割和测试也给工艺带来新的挑战。

IV. 未来发展方向

逻辑芯片堆叠应用

混合键合技术将逐步推广至CPU、GPU、AI加速器等高性能逻辑芯片的三维堆叠。通过将不同功能的芯片堆叠在一起，可以大幅提升系统的运算能力、内存带宽和功率效率，满足人工智能和大数据时代对计算性能的无穷渴求。

逻辑芯片堆叠对互连密度、功率分布、热耗散等方面提出了更高的要求，需要进一步优化混合键合工艺，并与芯片设计、散热和封装等环节协同创新。

背部电源传输网络集成

在高性能芯片中，电源供给和热耗散一直是制约性能的关键因素。混合键合技术有望将电源传输网络直接集成到芯片的背面，进一步优化功率分布和热耗散，提升芯片的整体性能。

这种＂背部电源传输网络＂的实现，需要在混合键合工艺中引入新的材料和结构，并与芯片的三维设计、散热系统等紧密协同，给工艺和设计带来全新的挑战。

异构集成推动

混合键合作为先进封装技术的核心，将推动半导体产业向异构集成的方向发展。不同功能、不同制程、不同尺寸的芯片，都可以通过混合键合技术集成到一个超级系统中，发挥出超越单一芯片的强大能力。

这种＂超级系统＂的出现，将彻底改变现有的芯片设计理念，催生出全新的IP生态系统。也将对EDA工具、制造设备、测试和可靠性等环节提出更高的要求，需要整个产业链的通力合作。

混合键合技术正在成为推动半导体产业向纵深发展的关键驱动力。它不仅能够实现高密度互连和三维异质集成，更将催生出全新的系统架构和设计理念，为人工智能、大数据、5G通信等新兴应用提供强大的硬件支撑。