在最先進節點上開發芯片的成本和復雜性不斷上升，迫使許多芯片制造商開始將芯片拆分成多個部分，而不是所有的部分都需要先進節點。挑戰在于如何將這些支離破碎的碎片重新組合在一起。當一個復雜的系統被整體集成在一塊硅片上時，最終的產品是組件設備的預算限制之間的妥協。例如，3D NAND需要高溫多晶硅，但所需的溫度會降低CMOS邏輯的性能。將內存和邏輯拆分為單獨的晶圓，允許制造商獨立地優化每一項技術。隨著傳感器、收發器和其他非cmos元件的加入，異構集成變得更加有吸引力。

問題是如何把所有的部分連接起來。整體集成依賴于完善的后端流水線(BEOL)金屬化流程。當組件分開包裝時，制造商就會采用球柵陣列和類似的設計。但當兩個或更多的模具組裝成一個包時，用于連接它們的工藝位于兩者之間的一個模糊的中間地帶。

許多系統封裝設計依賴于焊接連接。拾取和定位工具將預接觸的單點模放置在中間片上或直接放置在目標晶圓上。回流焊爐在單個高通量步驟中完成焊接鍵合。較軟的焊錫材料也作為一個兼容層，否則可能降低粘結質量。

不幸的是，基于焊料的技術不能擴展到圖像傳感器、高帶寬內存和類似應用所需的高密度連接。焊接過程使焊料凸點變平并擠壓，因此最終焊接的占地面積略大于凸點間距。當間距降低時，就沒有足夠的空間來進行堅固的連接。在2019年國際晶圓級封裝會議上展示的工作中，Xperi的高桂蓮和同事估計，基于焊料的集成的最小可行間距約為40微米。

銅錫焊點的機械性能較差，進一步限制了焊點的性能，導致了裂紋、疲勞失效和電遷移。該行業正在尋找一種可替代的固態鍵合技術，以促進進一步的間距縮放，但沒有多少工藝能與焊接鍵合的高速、低成本和靈活性相匹配。

例如，無論選擇何種鍵合方案，都必須能夠適應鍵合墊和中間物的高度變化。處理溫度也必須足夠低，以保護設備堆棧的所有組件。當封裝方案涉及多層夾層和附加芯片時，底層面臨特別具有挑戰性的熱要求。每層以上的基礎可能需要一個單獨的粘接步驟。

也有人提出一種替代方法，銅-銅直接鍵合，這種方法的優勢是非常簡單。在沒有夾層的情況下，溫度和壓力將頂部和底部墊片融合成一塊金屬，實現了最強的連接。這就是熱壓鍵合的原理。一個模具上的銅柱與第二個模具上的墊片相匹配。熱和壓力驅動界面的擴散形成永久的鍵。300℃的典型溫度軟化了銅，使兩個表面彼此一致。然而，熱壓粘合需要15到60分鐘，并且需要控制氣氛以防止銅氧化。

清理表面后粘在一起

另一種與之密切相關的技術是混合鍵合，它試圖通過將金屬埋入電介質層來防止氧化。在一種讓人聯想起晶圓互連金屬化的大馬士革工藝中，電鍍銅填充在電介質上的孔中。CMP去除多余的銅，留下相對于電介質凹陷的鍵合墊。將兩個介質表面接觸會產生一個臨時的鍵合。

在2019年IEEE電子元器件和技術會議上，樂提的研究人員演示了使用水滴來促進對齊。Xperi集團解釋說，這種鍵的強度足以讓制造商組裝一個完整的多芯片堆棧。

電介質鍵封裝銅，防止氧化，并允許鍵合設備處于常溫環境下。為了形成永久的結合，制造商利用銅較大的熱膨脹系數進行退火處理。受介電的限制，銅被迫在其自由表面膨脹，彌合兩個模具之間的間隙。銅的擴散會形成永久性的冶金鍵。在一個復雜的堆棧中，一個單一的退火步驟可以一次連接所有的組成芯片。在沒有天然氧化物或其他阻擋物的情況下，相對較低的退火溫度就足夠了。

結合墊的高度由CMP確定，這是一個成熟的、控制良好的過程。由于所有這些原因，晶圓對晶圓混合鍵合技術已經在圖像傳感器等應用領域應用了好幾年。晶圓與晶圓之間的鍵合應用需要晶圓之間的襯墊對齊，并依賴于高的器件產率來最小化損耗。兩塊晶圓上有缺陷的模具不太可能對齊，因此一塊晶圓上的缺陷可能導致匹配晶圓上相應的好芯片的丟失。

模對晶圓和模對中間層的混合鍵合有可能打開更大的應用空間，允許在單個封裝中實現復雜的異構系統。然而，這些應用程序還需要更復雜的流程流。雖然晶片對晶片和模對晶片(或中間層)工藝對CMP步驟和鍵合本身提出了類似的要求，但處理CMP后的單晶片更具挑戰性。生產線必須能夠控制由固有的雜亂的接合步驟產生的粒子，避免空洞和其他結合缺陷。

免責聲明：文章來源網絡  以傳播知識、有益學習和研究為宗旨。 轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除。