混合鍵合技術原理

混合鍵合（Hybrid Bonding）是一種先進的集成電路封裝技術，主要用于實現不同芯片之間的高密度、高性能互聯 。其關鍵特征是通過直接銅對銅的連接方式取代傳統的凸點或焊球（bump）互連，從而能夠在極小的空間內實現超精細間距的堆疊 。

在混合鍵合技術中，將兩片以上不相同的晶圓通過金屬互連來實現三維集成。這種技術是無凸塊的，它從基于焊料的凸塊技術轉向直接銅對銅連接，意味著頂部die和底部die彼此齊平，兩個芯片都沒有凸塊，而是只有可縮放至超細間距的銅焊盤 。例如，在長江存儲的Xtacking架構中，CMOS晶圓和Array晶圓之間就采用了Hybrid Bonding技術，其Cu接觸的間距已經縮放到1微米以下 。

三維堆疊封裝的特點

3D封裝又稱為疊層芯片封裝技術，是指在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術 。

（一）物理結構與空間利用優勢

3D封裝在垂直于芯片或封裝表面的Z方向上實現多層堆疊封裝，與傳統封裝相比具有顯著的尺寸小和重量輕的特點。它可以使系統的尺寸和重量降低為原來的1/40至1/50 。這種封裝方式的組裝效率高達200%以上，能夠讓單個封裝體實現更多功能，并且進一步縮小外圍設備PCB的面積 。

（二）電氣性能提升

3D封裝體內部單位面積的互連點數大大增加，集成度更高，外部連接點數更少，從而提高了IC芯片的工作穩定性。芯片間導線長度顯著縮短，信號傳輸速度得以提高，減少了信號時延與線路干擾，進一步提高了電氣性能 。

（三）晶體管集成度增加

采用疊層3D封裝技術將使芯片所包含晶體管數目成倍的增加，具有體積小、性能高、功耗低等優點 。

混合鍵合技術在三維堆疊封裝中的優勢

（一）更高的互連密度與帶寬

混合鍵合技術采用微型銅到銅互連，在三維堆疊封裝中提供了比現有芯片堆疊互連方案更高的密度和帶寬。這有助于滿足現代高性能計算、數據中心等應用對于高速數據傳輸的需求。例如AMD使用臺積電的混合鍵合技術，這種技術為其提供了更高的帶寬，可實現下一代類似3D的設備和封裝 。

（二）更小的封裝尺寸與更高的集成度

混合鍵合是無凸塊的，從基于焊料的凸塊技術轉向直接銅對銅連接，頂部die和底部die彼此齊平，只有可縮放至超細間距的銅焊盤。這使得在進行三維堆疊封裝時，可以實現更小的封裝尺寸，在相同的封裝體積內能夠集成更多的芯片或者功能模塊，進一步提高了集成度，符合電子設備不斷小型化、多功能化的發展趨勢。

（三）更低的功耗

與現有的堆疊和鍵合方法相比，混合鍵合技術可以降低功耗。這對于移動設備、物聯網設備等對功耗要求嚴格的應用場景非常有利，能夠延長設備的續航時間或者降低設備的散熱要求，提高設備的可靠性和穩定性。

（四）更高的可靠性

混合鍵合技術能夠實現焊盤直徑≤1μm、無凸點的永久鍵合。這種無凸點的直接鍵合方式相比于傳統的倒裝焊等鍵合方式，減少了因凸點帶來的潛在連接問題，如凸點的脫落、虛焊等，從而提高了鍵合的可靠性，進而提高整個三維堆疊封裝結構的可靠性，保障設備的正常運行。

混合鍵合技術在三維堆疊封裝中的應用案例

（一）AMD與臺積電的合作

AMD是第一家推出使用銅混合鍵合芯片的供應商，它使用臺積電的混合鍵合技術。這種技術為AMD的產品提供了更高的密度和帶寬，有助于AMD在高性能計算、游戲等領域的芯片性能提升，滿足不斷增長的市場需求，并且推動了下一代類似3D的設備和封裝的發展 。

（二）長江存儲的Xtacking架構

長江存儲的Xtacking架構中，CMOS晶圓和Array晶圓之間采用了Hybrid Bonding技術。這一架構下，Cu接觸的間距已經縮放到1微米以下，幾乎是對hybrid bonding工藝應用到爐火純青的結果。這得益于長江存儲技術和量產團隊在武漢新芯期間從事3D堆疊圖像傳感器所積累下的工藝經驗 。

（三）格芯的高性能計算應用

格芯推出適用于高性能計算應用的高密度3D堆疊測試芯片，該芯片采用格芯12nm Leading - Performance (12LP) FinFET工藝制造，運用Arm 3D網狀互連技術，并且采用了晶圓與晶圓之間的混合鍵合技術。每平方毫米可連接多達100萬個3D連接，拓展了12nm設計在未來的應用，滿足數據中心、邊緣計算和高端消費電子應用的需求 。

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