在最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上開發(fā)芯片的成本和復(fù)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(gè)部分，而不是所有的部分都需要先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。挑戰(zhàn)在于如何將這些支離破碎的碎片重新組合在一起。當(dāng)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)被整體集成在一塊硅片上時(shí)，最終的產(chǎn)品是組件設(shè)備的預(yù)算限制之間的妥協(xié)。例如，3D NAND需要高溫多晶硅，但所需的溫度會(huì)降低CMOS邏輯的性能。將內(nèi)存和邏輯拆分為單獨(dú)的晶圓，允許制造商獨(dú)立地優(yōu)化每一項(xiàng)技術(shù)。隨著傳感器、收發(fā)器和其他非cmos元件的加入，異構(gòu)集成變得更加有吸引力。

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

許多系統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)依賴于焊接連接。拾取和定位工具將預(yù)接觸的單點(diǎn)模放置在中間片上或直接放置在目標(biāo)晶圓上。回流焊爐在單個(gè)高通量步驟中完成焊接鍵合。較軟的焊錫材料也作為一個(gè)兼容層，否則可能降低粘結(jié)質(zhì)量。

不幸的是，基于焊料的技術(shù)不能擴(kuò)展到圖像傳感器、高帶寬內(nèi)存和類似應(yīng)用所需的高密度連接。焊接過(guò)程使焊料凸點(diǎn)變平并擠壓，因此最終焊接的占地面積略大于凸點(diǎn)間距。當(dāng)間距降低時(shí)，就沒(méi)有足夠的空間來(lái)進(jìn)行堅(jiān)固的連接。在2019年國(guó)際晶圓級(jí)封裝會(huì)議上展示的工作中，Xperi的高桂蓮和同事估計(jì)，基于焊料的集成的最小可行間距約為40微米。

銅錫焊點(diǎn)的機(jī)械性能較差，進(jìn)一步限制了焊點(diǎn)的性能，導(dǎo)致了裂紋、疲勞失效和電遷移。該行業(yè)正在尋找一種可替代的固態(tài)鍵合技術(shù)，以促進(jìn)進(jìn)一步的間距縮放，但沒(méi)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(wú)論選擇何種鍵合方案，都必須能夠適應(yīng)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(hù)設(shè)備堆棧的所有組件。當(dāng)封裝方案涉及多層夾層和附加芯片時(shí)，底層面臨特別具有挑戰(zhàn)性的熱要求。每層以上的基礎(chǔ)可能需要一個(gè)單獨(dú)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(yōu)勢(shì)是非常簡(jiǎn)單。在沒(méi)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(shí)現(xiàn)了最強(qiáng)的連接。這就是熱壓鍵合的原理。一個(gè)模具上的銅柱與第二個(gè)模具上的墊片相匹配。熱和壓力驅(qū)動(dòng)界面的擴(kuò)散形成永久的鍵。300℃的典型溫度軟化了銅，使兩個(gè)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(guān)的技術(shù)是混合鍵合，它試圖通過(guò)將金屬埋入電介質(zhì)層來(lái)防止氧化。在一種讓人聯(lián)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(zhì)上的孔中。CMP去除多余的銅，留下相對(duì)于電介質(zhì)凹陷的鍵合墊。將兩個(gè)介質(zhì)表面接觸會(huì)產(chǎn)生一個(gè)臨時(shí)的鍵合。

在2019年IEEE電子元器件和技術(shù)會(huì)議上，樂(lè)提的研究人員演示了使用水滴來(lái)促進(jìn)對(duì)齊。Xperi集團(tuán)解釋說(shuō)，這種鍵的強(qiáng)度足以讓制造商組裝一個(gè)完整的多芯片堆棧。

電介質(zhì)鍵封裝銅，防止氧化，并允許鍵合設(shè)備處于常溫環(huán)境下。為了形成永久的結(jié)合，制造商利用銅較大的熱膨脹系數(shù)進(jìn)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(gè)模具之間的間隙。銅的擴(kuò)散會(huì)形成永久性的冶金鍵。在一個(gè)復(fù)雜的堆棧中，一個(gè)單一的退火步驟可以一次連接所有的組成芯片。在沒(méi)有天然氧化物或其他阻擋物的情況下，相對(duì)較低的退火溫度就足夠了。

結(jié)合墊的高度由CMP確定，這是一個(gè)成熟的、控制良好的過(guò)程。由于所有這些原因，晶圓對(duì)晶圓混合鍵合技術(shù)已經(jīng)在圖像傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用了好幾年。晶圓與晶圓之間的鍵合應(yīng)用需要晶圓之間的襯墊對(duì)齊，并依賴于高的器件產(chǎn)率來(lái)最小化損耗。兩塊晶圓上有缺陷的模具不太可能對(duì)齊，因此一塊晶圓上的缺陷可能導(dǎo)致匹配晶圓上相應(yīng)的好芯片的丟失。

模對(duì)晶圓和模對(duì)中間層的混合鍵合有可能打開更大的應(yīng)用空間，允許在單個(gè)封裝中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。然而，這些應(yīng)用程序還需要更復(fù)雜的流程流。雖然晶片對(duì)晶片和模對(duì)晶片(或中間層)工藝對(duì)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(zhàn)性。生產(chǎn)線必須能夠控制由固有的雜亂的接合步驟產(chǎn)生的粒子，避免空洞和其他結(jié)合缺陷。

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