在Hybrid Bonding前，2D，2.5D及3D封裝都是采用焊錫球凸點(solder bump)或微凸點（Micro bump）來實現芯片與基板，芯片與中介層(interposer), 芯片與芯片間的電連接。Solder bump/micro bump在制備工藝中都有植球的步驟，所植的球就是焊錫球（Solder bump），所以在Hybrid Bonding之前芯片間的連接都是靠焊錫球進行連接。

圖1，Cu+Solder 統稱為bump, 細分又可以分為Cu bump 和Solder Bump. 當然Solder bump是植在銅柱 （Copper bump）上的。如圖2所示，當copper bump pitch 小于10~20um時，焊錫球 solder bump就變成了工藝難點及缺陷的主要來源。這時候就需要一種新的工藝來解決bump 間距小于10微米芯粒間鍵合的問題。當然Hybrid Bonding在電學性能方面也有獨特的優勢，如圖3所示，Hybrid Bonding信號丟失率幾乎可以忽略不計，這在高吞吐量，高性能計算領域優勢明顯。在業界強烈需求的呼喚下，Hybrid Bonding騰空出世。



圖2，不同bump間距（pitch）所采用BUMP形式



圖3，頻率與信號丟失對應曲線圖

Hybrid Bonding中的Hybrid是指除了在室溫下凹陷下去的銅bump完成鍵合，兩個Chip面對面的其它非導電部分也要貼合。因此，Hybrid Bonding在芯粒與芯粒或者wafer與wafer之間是沒有空隙的，不需要用環氧樹脂進行填充。



圖4，圖源十輪網

混合鍵合流程圖：（a）試片未接合面貌（b）介電材料接合步驟（c）提高溫度銅接點接合過程（d）高溫時接點內部應力分布狀態 Hybrid Bonding是近幾年被叫響的，在之前業界通常稱其為DBI（Direct Bond Interconnect，直接鍵合連接），它是在20世紀80年代中期由Paul Enquist，Q.Y. Tong和Gill Fountain在三角研究所（RTI）的實驗室首次構思，DBI因其優雅和簡潔而成為鍵合大海上的明燈。他們三個后來在2000年成立了一家叫Ziptronix的公司，并于2005年實現了10um bump間距用DBI技術連接的鋁布線層，接著又在2011年發布2um bump間距用DBI技術完成wafer to wafer 連接。2015年Ziptronix被Xperi （前Tessera）收購。在2019年，DBI/Hybrid Bonding技術由Xperi （前Tessera）完成了最終的專利布局，其本身沒有量產的產品推出。



圖5，2005年Ziptronix發布10um間距 用DBI技術連接的鋁布線層



圖6，2011年Ziptronix發布2um間距用DBI技術完成的wafer to wafer連接

業界第一個DBIDBI/Hybrid Bonding量產的產品是由Sony在圖像傳感器上進行應用。這項技術在堆疊的CMOS圖像傳感器的下部電路芯片和上部像素芯片中增加了Cu連接焊盤，以同時建立物理和電氣連接。由于Cu-Cu直接鍵合是在wafer生產過程中進行的，索尼開發了原始的制造工藝來克服這些問題，并成為世界上第一個推出該技術的公司。



圖7，Sony首款采用HybridBonding/DBI銅銅鍵合的傳感器

接著臺積電，英特爾、三星等大廠都開始采用該工藝用于進行3D封裝，并陸續推出用于CPU、GPU及高性能計算中。到今天，Hybrid Bonding已經被叫的越來越響。



圖8，AMD Hybrid Bonding產品

最后我們再談談相應的設備廠家，Hybrid Bonding代表著未來，代表著研發實力，設備巨頭們都在積極跟進。當前主要有兩個實力強勁的聯盟：Besi與Applied Material的BA聯盟以及香港的ASMPT與EV GROUP (EVG)的AE聯盟，巨頭們強強聯合來爭奪先進封裝設備中的塔尖。另外，根據新聞報道近期異軍突起的華封也在積極研發布局。如果您是我們的老朋友應該看到過我們艾邦半導體公眾號對TCB（熱壓鍵合）設備的介紹，相信大家對TCB設備的復雜性已經有一定的了解。

TCB設備升級改造后可以具備Hybrid Bonding的功能，但是后者的難點除了貼裝精度要求更高外，對晶粒及晶圓本身共面性、表面粗糙度、潔凈度等要求都極為苛刻。這也就是為什么一套Hybrid Bonding設備的研發需要巨頭們強強聯合的原因。





審核編輯：劉清