引言

當電子封裝行業發展到3D封裝時，微凸塊通過在芯片上使用小銅凸塊作為晶圓級封裝的一種形式，提供芯片之間的垂直互連。凸塊的尺寸范圍從40微米節距到最終縮小到20微米或 10微米。

然而，問題就在這里——范圍縮小到10微米以下變得非常具有挑戰性，工程師們正在轉向新的解決方案來繼續縮小尺寸。混合鍵合通過完全避免使用凸塊，為10微米及以下節距提供了解決方案，而是使用小型銅對銅連接來連接封裝中的芯片。它提供了卓越的互連密度，可實現類似 3D 的封裝和先進的內存立方體。

混合鍵合是一種永久性鍵合，將介電鍵合 (SiOx) 與嵌入式金屬 (Cu) 相結合以形成互連。它被業界廣泛稱為直接鍵合互連 (DBI)?；旌湘I合擴展了熔融鍵合，在鍵合界面處嵌入金屬墊，從而實現了晶圓的面對面連接。

混合鍵合通過緊密間隔的銅墊垂直連接芯片到晶圓(D2W)或晶圓到晶圓(W2W)。雖然W2W混合鍵合已在圖像傳感領域投入生產多年，但業界強烈推動加快D2W混合鍵合的發展。這一發展將進一步實現異構集成，從而提供一種強大而靈活的方法，可直接連接不同功能、尺寸和設計規則的芯片。

混合鍵合的原理及優勢

混合鍵合利用多種物理或化學機制在不同材料之間形成穩定的結合。

常見的鍵合方式包括：

?分子鍵合：利用范德華力或氫鍵實現表面結合。

?共價鍵合：通過化學反應形成牢固的鍵合，如Si-Si或SiO2-SiO2。

?金屬-金屬鍵合：如銅-銅（Cu-Cu）鍵合，廣泛用于3D IC封裝。

?熱壓鍵合：通過加熱和壓力增強材料之間的連接強度。

與其他鍵合技術相比，混合鍵合具有許多優勢，包括：

?允許高級3D設備堆疊

?最高 I/O

?實現亞10微米鍵合間距

?更高的存儲密度

?擴展帶寬

?增強功率

?提高速度效率

?無需使用碰撞，提高性能，且不會造成功率或信號損失

主要應用領域

?半導體封裝與3D集成電路（3D IC）

采用Cu-Cu直接鍵合或SiO2-SiO2分子鍵合，提高互連密度和電信號傳輸效率。適用于TSV（硅通孔）和Chiplet（芯粒）封裝技術。

?光電子與光學封裝

在光通信模塊、硅光子器件等領域，混合使用分子鍵合和金屬鍵合，以優化光學對準和熱管理。

?MEMS與傳感器

結合玻璃-硅陽極鍵合、共價鍵合、焊料鍵合等，實現高氣密封裝，提高器件可靠性。

?功率電子與射頻（RF）器件

適用于GaN、SiC等寬禁帶半導體，提升導熱性和機械強度，提高工作效率。

?生物醫學器件

在微流控芯片、植入式傳感器等應用中，采用PDMS-玻璃鍵合、共價鍵合等技術，保證生物相容性和密封性。

挑戰與發展方向

?挑戰

工藝復雜性：對表面平整度、清潔度要求較高，工藝控制難度大。

良率與成本：提高良率、降低制造成本仍是主要挑戰。

可靠性：需要優化鍵合界面以防止界面失效。

?未來發展方向

優化工藝參數：提升鍵合界面的均勻性和可靠性。

自動化與量產：推動自動化生產，提高良率并降低成本。

異質集成發展：支持不同材料、不同功能芯片的集成，提高系統性能。

混合鍵合在企業中的應用

混合鍵合技術在企業中的應用主要涉及半導體制造、電子封裝、光電技術、MEMS傳感器及高端制造等領域。以下是一些具體應用案例：

1. 半導體制造與先進封裝

(1) 3D IC 與 Chiplet 技術

企業：臺積電（TSMC）、英特爾（Intel）、三星（Samsung）

應用：采用Cu-Cu（銅-銅）混合鍵合技術，實現高密度3D集成，提高信號傳輸速率，降低功耗。

在Chiplet（芯粒）設計中，利用混合鍵合進行異構集成，提升計算能力和封裝效率。

(2) 晶圓級封裝（WLP）

企業：臺積電、Amkor、日月光（ASE）

應用：通過混合鍵合技術（如分子鍵合+金屬鍵合），提高封裝密度，增強散熱性能，減少封裝尺寸。

在高端手機處理器、AI 芯片、服務器芯片中廣泛應用。

2. 光電子與硅光子器件

(1) 高速光通信模塊

企業：華為、思科（Cisco）、英特爾、NVIDIA（Mellanox）

應用：采用混合鍵合（Si-玻璃+金屬鍵合）技術制造光電轉換芯片，提高光纖通信的速率和穩定性。

在數據中心、5G 基站等場景中，優化光模塊的集成度和散熱管理。

(2) AR/VR 顯示技術

企業：Meta（Oculus）、蘋果（Apple）、索尼（Sony）

應用：結合微顯示器（Micro-LED）、硅基 OLED（Si-OLED）等技術，使用分子鍵合+金屬鍵合提高顯示精度和對比度。

在增強現實（AR）、虛擬現實（VR）頭戴設備中實現更輕薄、高效的光學引擎。

結論

混合鍵合技術為高性能封裝和先進器件集成提供了重要的技術支撐，特別是在3D IC、光電子、MEMS、功率器件和生物醫學等領域。盡管仍面臨工藝復雜性和可靠性等挑戰，但隨著技術的不斷進步，未來，隨著 AI 計算、自動駕駛、物聯網等產業的快速發展，混合鍵合也將在企業中發揮更重要的作用。

2025年8月5日，國際混合鍵合研討會（iHBC）將在上海召開。8月6號將召開第二十六屆電子封裝技術國際會議（ICEPT)，展位、論壇火熱報名中，歡迎大家參加！