混合鍵合，下一個焦點

作者；豐寧

"混合鍵合"?之戰(zhàn)，似乎已箭在弦上。

不管是在晶圓代工龍頭、存儲芯片巨頭還是半導(dǎo)體設(shè)備龍頭的發(fā)展路線圖中，幾乎都能看到?"混合鍵合（Hybrid Bonding）"?這一關(guān)鍵詞。

那么，為何這項技術(shù)能讓臺積電、三星等巨頭集體押注？它又憑什么征服先進封裝的下一個十年？

01 混合鍵合，下一個十年

隨著摩爾定律逐漸進入其發(fā)展軌跡的后半段，芯片產(chǎn)業(yè)越來越依賴先進的封裝技術(shù)來推動性能的飛躍。這句話毋庸置疑。

而在封裝技術(shù)由平面走向更高維度的2.5D和3D時，互聯(lián)技術(shù)成為關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的互聯(lián)技術(shù)包括引線鍵合、倒裝芯片鍵合和硅通孔（TSV）鍵合等，然而就當(dāng)下來看，這些技術(shù)各自面臨著不同的局限。

傳統(tǒng)引線鍵合技術(shù)通過金屬引線實現(xiàn)芯片與基板的電氣連接，這種方法雖然成本低廉且工藝成熟，但受限于引線長度和布局方式，信號傳輸路徑較長，難以滿足高性能計算芯片的需求。

倒裝芯片鍵合技術(shù)通過在整個芯片正面布置錫球/銅柱凸塊，連接密度提升的同時還縮短了信號傳輸路徑，被廣泛應(yīng)用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封裝。不過，當(dāng)凸點間距縮小到40μm以下時，傳統(tǒng)回流焊工藝會出現(xiàn)翹曲和精度問題。

硅通孔技術(shù)是通過在硅片內(nèi)制作垂直貫通孔，填充金屬（如銅或鎢）實現(xiàn)電氣互聯(lián)的工藝。與傳統(tǒng)的水平布線方式相比，TSV技術(shù)大幅縮短了芯片間的信號傳輸路徑，為系統(tǒng)小型化、高性能和低功耗提供了可能性。不過硅通孔技術(shù)的制造成本較高，工藝復(fù)雜性也要高出不少。

接下來再看混合鍵合技術(shù)是如何應(yīng)對這些難題的。

混合鍵合主要用于實現(xiàn)不同芯片之間的高密度、高性能互聯(lián)。這種技術(shù)的關(guān)鍵特征是通過直接銅對銅的連接方式取代傳統(tǒng)的凸點或焊球（bump）互連，從而能夠在極小的空間內(nèi)實現(xiàn)超精細間距的堆疊和封裝，達到三維集成的目的。

在混合鍵合工藝中，兩個或多個芯片的金屬層（通常是銅層）被精密對準(zhǔn)并直接壓合在一起，形成直接電學(xué)接觸。為了保證良好的連接效果，需要在芯片表面進行特殊的處理，例如沉積一層薄且均勻的介電材料（如SiO2或SiCN），并在其上制備出微米甚至納米級別的銅墊和通孔（TSV）。這些銅墊和通孔將芯片內(nèi)部的電路與外部相連，使得數(shù)據(jù)傳輸速度更快、功耗更低，同時極大地提升了芯片的集成度。

混合鍵合技術(shù)的優(yōu)勢包括：

第一點，它允許不同的芯片層，如存儲器層和邏輯層，在無需通過硅通孔（TSV）的情況下直接互連，顯著提高信號傳輸速度并降低功耗；

第二點，通過芯片和晶圓之間的直接銅對銅鍵合，最大限度地縮短導(dǎo)線長度；

第三點，與傳統(tǒng)TSV技術(shù)相比，混合鍵合減少了層間物理連接的需求，使芯片設(shè)計更緊湊，有利于實現(xiàn)更高性能和密度。據(jù)悉，在應(yīng)用混合鍵合時，1平方毫米的面積內(nèi)可連接10,000至100,000個通孔；

第四點，混合鍵合還可減少芯片內(nèi)部的機械應(yīng)力，提高產(chǎn)品的整體可靠性，同時支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的能耗。

02 混合鍵合，成為HBM5的必然選擇

在混合鍵合技術(shù)的應(yīng)用中，主要有兩種方式。

一種是晶圓到晶圓（wafer-to-wafer：W2W）鍵合，這種方式更加成熟，但限制了相同芯片尺寸的組合。

關(guān)于?W2W?技術(shù)的應(yīng)用，主要集中在?CIS?和?NAND?兩大領(lǐng)域。

在?CIS?應(yīng)用中，混合鍵合已替代?TSV?互聯(lián)，實現(xiàn)了占位面積、TSV?成本縮減與混合鍵合工藝成本間的盈虧平衡。目前，三星、蘋果和華為等企業(yè)已將其廣泛應(yīng)用于高端智能手機的?CIS?芯片。

在NAND應(yīng)用中，W2W正成為其重要發(fā)展方向。如今，幾乎所有的內(nèi)存制造商都在進行混合鍵合的研發(fā)。比如Kioxia?和西部數(shù)據(jù)均已推出多款應(yīng)用混合鍵合技術(shù)的產(chǎn)品。美光的HBM3E芯片封裝也采用了銅硅混合鍵合工藝。

另一種是芯片到晶圓（die-to-wafer：D2W）鍵合，它涉及更多的工藝步驟以及將芯片單獨放置在載體晶圓或玻璃上（集體芯片到晶圓方法）。這比晶圓間鍵合更加困難，但這種工藝變化對于邏輯和高帶寬內(nèi)存(HBM)?很有意義。

尤其在DRAM產(chǎn)業(yè)中，混合鍵合技術(shù)已成為核心焦點。

根據(jù)科創(chuàng)板日報和TrendForce集邦咨詢的報道，隨著對HBM（高帶寬存儲）產(chǎn)品日益增長的帶寬需求，三大領(lǐng)先廠商SK海力士、三星和美光正在積極探索在HBM4 16hi產(chǎn)品中引入混合鍵合，并已確定在HBM5 20hi產(chǎn)品中大規(guī)模應(yīng)用。

至于為什么說混合鍵合將成為HBM5的必需技術(shù)？

上文提到，HBM的主要優(yōu)勢在于其提升了堆疊能力，由于無需微凸塊，支持更薄的堆疊間隙和更高的層數(shù)，例如當(dāng)芯片厚度減至20 μm時，混合鍵合技術(shù)能夠輕松實現(xiàn)16hi甚至20hi堆疊，而微凸塊技術(shù)在此方面面臨高度控制和翹曲問題的挑戰(zhàn)。

在?HBM4E?技術(shù)中，12hi?階段的堆疊仍以微凸塊技術(shù)為主流，因其工藝成熟度與成本優(yōu)勢顯著。即便進入?16hi?階段，部分企業(yè)開始評估混合鍵合技術(shù)，但尚未形成強制應(yīng)用趨勢。

不過來到HBM5之后，這一情況就變得不一樣了。

在HBM5 20hi世代，三大主要HBM制造商（三星、美光、SK海力士）已確定采用混合鍵合技術(shù)。HBM5旨在滿足未來人工智能和高性能計算的極端需求，根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，775 μm的模塊高度限制要求芯片厚度和間隙進一步壓縮。

在20hi堆疊中，微凸塊技術(shù)由于其14.5 μm的凸塊高度難以控制高度和翹曲問題，而混合鍵合技術(shù)憑借其無間隙結(jié)構(gòu)成為必然選擇。此外，混合鍵合技術(shù)支持高達24hi的堆疊，如果芯片厚度為20 μm，則20層堆疊的總高度可控制在775 μm以內(nèi)，遠優(yōu)于微凸塊技術(shù)。

接下來，具體看看各芯片巨頭混合鍵合技術(shù)的研究進展。

03 混合鍵合，產(chǎn)業(yè)化落地

臺積電

臺積電的3D封裝SoIC就是使用的混合鍵合技術(shù)。

目前，SoIC-X（無凸塊）用于特定應(yīng)用，例如?AMD?的?CPU 3D V?緩存技術(shù)，以及他們的?Instinct MI300?系列?AI?產(chǎn)品。

AMD公開數(shù)據(jù)，相較微凸塊，3D V-Cache混合鍵合加上TSV，讓芯片接點密度提升15倍，互聯(lián)能效超過三倍。當(dāng)芯片連接間距低于10μm，混合鍵合就能發(fā)揮優(yōu)勢，也能將同質(zhì)和異質(zhì)小芯片集成到單個類似SoC的芯片，完成芯片更小與更輕薄的目標(biāo)，集成至先進CoWoS和InFO解決方案。

SoIC-X?技術(shù)將快速發(fā)展，到?2027?年，將有可能組裝一個芯片，將臺積電尖端?A16（1.6?納米級）上制造的掩模版大小的頂部芯片與使用臺積電?N2（2?納米級）生產(chǎn)的底部芯片配對。這些芯片將依次使用?3μm?鍵合間距硅通孔?(TSV)?連接，密度是當(dāng)今?9μm?間距的三倍。如此小的互連將允許總體上更大的連接數(shù)量，從而大大提高組裝芯片的帶寬密度（從而提高性能）。

除了針對需要極高性能的設(shè)備開發(fā)無凸塊?SoIC-X?封裝技術(shù)外，臺積電還將在不久的將來推出凸塊?SoIC-P?封裝工藝。SoIC-P?專為更便宜的低性能應(yīng)用而設(shè)計，這些應(yīng)用仍需要?3D?堆疊，但不需要無凸塊銅對銅?TSV?連接帶來的額外性能和復(fù)雜性。

根據(jù)臺積電目前的計劃，2025?年，該公司將提供正面對背面?(F2B)?凸塊?SoIC-P?技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)?0.2?光罩大小的?N3（3?納米級）頂部芯片與?N4（4?納米級）底部芯片配對，并使用?25μm?間距微凸塊?(μbump)?進行連接。2027?年，臺積電將推出正面對背面?(F2F)?凸塊?SoIC-P?技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)?N2?頂部芯片放置在間距為?16μm?的?N3?底部芯片上。

英特爾

英特爾也早早入局了混合鍵合技術(shù)，早在2020年就發(fā)布了其混合鍵合技術(shù)。

當(dāng)時英特爾表示其3D Foveros立體封裝技術(shù)，可以讓邏輯芯片可以堆疊在一起，而其中的凸點間距在50微米左右，每平方毫米集成大約400個凸點，而應(yīng)用新的混合鍵合技術(shù)，凸點間距縮小到10微米，每平方毫米的凸點數(shù)量更能達到1萬個，增加了足足25倍。

再看兩大存儲芯片龍頭三星和SK海力士的技術(shù)進程。

SK海力士與三星

SK海力士曾在其第三代8層堆疊的HBM2E上進行過測試，使用混合鍵合制程后，通過了所有可靠性測試。SK海力士還評價了該HBM在高溫下的使用壽命，檢查產(chǎn)品出貨后客戶在芯片黏合過程中可能出現(xiàn)的潛在問題。目前，SK海力士計劃在新一代的HBM4上采用混合鍵合技術(shù)。

三星也在研究4F Square DRAM，并有望在生產(chǎn)中應(yīng)用混合鍵合技術(shù)。4F Square是一種單元數(shù)組結(jié)構(gòu)，與目前商業(yè)化的6F Square DRAM相比，可將芯片表面積減少30%。

另外，三星在其論文中指出，未來16層及以上的HBM必須采用混合鍵合技術(shù)。三星稱，降低堆疊的高度是采用混合鍵合的主因，內(nèi)存高度限制在775微米內(nèi)，在這高度中須封裝17個芯片（即一個基底芯片和16個核心芯片），因此縮小芯片間的間隙，是內(nèi)存大廠必須克服的問題。

三星今年4月使用子公司Semes的混合鍵合設(shè)備制作了16層的HBM樣品，并表示芯片運作正常。

另一家DRAM大廠美光此前在COMPUTEX 2024記者會上表示，公司也正著手開發(fā)HBM4，會考慮采用包括混合鍵合在內(nèi)等相關(guān)技術(shù)，目前一切都在研究中。

根據(jù)Intel Market Research的報告，全球混合鍵合技術(shù)市場預(yù)計將從2023年的1.2349億美元增長至2030年的6.1842億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為24.7%。其中，亞太地區(qū)的市場增長尤為顯著，預(yù)計從2023年的8140萬美元增長至2030年的4.2472億美元，CAGR為26.05%。