芯片巨头们都在争相研发的3D封装关键技术究竟有多难？

台积电的SoIC计划于2021年投入生产，可以实现小间距HBM和SRAM存储立方体以及类似3D的芯片架构。台积电研究员MF Chen在最近的一篇论文中说，与当今HBM相比，“继承了SoIC的DRAM存储器立方体可以提供更高的存储器密度、带宽和功率效率。”

台积电正在开发芯片对晶圆（Chip-to-Wafer）的混合键合技术。晶圆键合已经在微机电系统（MEMS）和其他应用中使用多年，且类型众多。“微电子和微机电系统的制造和封装依赖于两个基板或晶片的键合，” Brewer Science的高级研究化学家Xiao Liu说道，“在微机电系统的制造过程中，器件晶圆将被粘合到另一个晶圆上，以保护敏感的MEMS结构。直接键合技术（例如熔融键合和阳极键合）或间接键合技术（例如金属共晶、热压键合和胶粘剂键合）都是常用的方法。使用胶粘剂作为两个基板之间的中间层，处理会更加灵活。”

铜混合键合最早出现在2016年，当时索尼将这项技术用于CMOS图像传感器， 索尼从现在属于Xperi的Ziptronix获得了该技术的许可。

Xperi的技术称为直接绑定互连（DBI），DBI在传统的晶圆厂中进行，并应用于晶圆对晶圆的键合工艺，在这一过程中，先对晶圆进行处理，然后将金属焊盘凹入表面，使表面变得平滑。

分离晶圆也经历类似的过程，晶片使用两步工艺键合，首先是电介质互连，然后是金属互连。

EV Group业务发展总监Thomas Uhrmann表示：“总体而言，晶圆对晶圆是设备制造的首选方法，在整个工艺流程中，晶圆都保留在前端晶圆厂环境中。在这种情况下，用于混合键合的晶圆制备在界面设计规则、清洁度、材料选择以及激活和对准方面面临诸多挑战。氧化物表面上的任何颗粒都会产生比颗粒本身大100至1,000倍的空隙。”

尽管如此，该技术已被证明可用于图像传感器，其他设备正在研究开发中。Uhrmann说：“计划进一步推出诸如堆叠SRAM到处理器芯片之类的器件。”

混合键合的3D集成，图片源自：Xperi

铜混合键合推动先进封装

对于先进芯片封装，业界还致力于裸片对晶圆和裸片对裸片的铜混合键合，即将裸片堆叠在晶圆上、将裸片堆叠在中介层上或将裸片堆叠在裸片上。

这比晶圆间键合更加困难。“对于裸片对晶圆的混合键合而言，处理不带颗粒的裸片的基础设施以及键合裸片的能力成为一项重大挑战。” Uhrmann说，“虽然可以从晶圆级复制或改写芯片级的界面设计和预处理，但在芯片处理方面仍存在许多挑战。通常，后端工艺（例如切块、裸片处理和在薄膜框架上的裸片传输）必须适应前端清洁级别，才能在裸片级别获得较高的粘合率。”

Uhrmann说，“晶圆对晶圆的键合方式正在发展，当我看到这种方式的过程时，看到工具开发的方向时，我认为这是一项非常复杂的集成任务，但是台积电这样的公司正在推动这个行业的发展，我们可以对其抱有期待。”

封装的混合键合与传统的IC封装在某些方面是不同的。传统上，IC封装是在一个OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，委外封测代工厂）或封装厂中进行的，而铜混合键合却是在晶圆厂的洁净室中进行，而不是OSAT中。与传统封装处理尺寸缺陷不同，混合键合对微小的纳米级缺陷非常敏感，需要工厂级的洁净室来防止微小缺陷干扰生产过程。

缺陷控制至关重要。赛博光学研发副总裁Tim Skunes说，“考虑到这些工艺使用已知的昂贵优良裸片，失败成本很高。在组件之间，有一些突起形成垂直的电气连接，控制凸块高度和共面性对于确保堆叠组件之间的可靠性至关重要。”

事实上，已知良好模具（KGD）至关重要。KGD是符合给定规格的未包装零件或裸片，如果没有KGD，封装可能遭受低产或失败。

KGD对封装厂也很重要。“我们收到裸片，对其进行封装，并交付功能产品，合作方会要求我们提供非常高的产量。”东方电气工程技术营销总监曹丽红在最近的一次活动中表示，“因此，我们希望KGD能够经过充分测试并功能良好。”

裸片对晶圆的混合键合类似于晶圆对晶圆的工艺。最大的区别在于芯片是用高速倒装芯片键合器中检测或在其他芯片上切割和堆叠的。

Xperi的裸片对晶圆混合键合流程图，图片源自：Xperi

整个过程从晶圆厂开始，使用各种设备在晶圆上加工芯片，这部分被称之为前段生产新（FEOL）。在混合键合中，两个或更多的晶圆在流动过程中被加工。之后，晶圆被运送到生产线后端（BEOL）的特殊部分，使用不同的设备对晶圆进行单一镶嵌工艺。

单一镶嵌工艺是一项成熟的技术，通常是将氧化物材料沉淀在晶圆上，然后用微小的通孔对氧化物材料进行蚀刻并绘制图案，最后通过沉积工艺填充铜，继而在晶圆表面上形成铜互连或焊盘，铜焊盘以微米为单位，相对较大。这一过程与当今先进的晶圆厂芯片生产类似，但对于高级芯片而言，最大的区别在于铜互连是纳米级别的。

上述流程就是Xperi的新裸片对晶圆的铜混合键合工艺的最初模式，其他公司使用类似或有细微不同的流程。

Xperi晶圆对晶圆工艺的第一步是使用化学机械抛光（CMP）抛光晶圆表面，即通过化学方法和机械方法抛光表面。在这一过程中，铜焊板略微凹陷在晶圆表面，得到浅而均匀的凹槽，有较好的良率。

不过，化学机械抛光（CMP）实现过程困难，抛光过度会使铜焊盘的凹槽太大，最终可能导致某些焊盘无法接和，抛光不足则会留下铜残留物造成短路。针对这一问题，Xperi开发出200nm和300nm CMP功能。Xperi工程部副总裁Laura Mirkarimi表示：“在过去十年中，CMP技术在设备设计、材料选择和监控方面都进行了创新，能够达到精准控制，让过程可重复且具有稳定性。”

在经过CMP之后，需要使用原子力显微镜（AFM）和其他工具对晶圆表面进行测量，这一部分非常关键。

（编辑：应用网_阳江站长网）

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