化解先進(jìn)半導(dǎo)體封裝挑戰(zhàn)，有一個(gè)工藝不能不說(shuō)

由于芯片的集成度和性能越來(lái)越高，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足新一代芯片的封裝要求，而3D Cu-Cu混合鍵合技術(shù)提供了一種高密度、低成本、高性能的方案，有助于提高封裝的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高速、低延遲的芯片互連。

凸點(diǎn)間距與先進(jìn)半導(dǎo)體封裝

1965年發(fā)明了第一個(gè)半導(dǎo)體封裝，此后封裝技術(shù)不斷發(fā)展?，F(xiàn)在，有許多封裝技術(shù)，從最廣泛使用的引線鍵合到最先進(jìn)的3DIC。之所以叫先進(jìn)半導(dǎo)體封裝，一種分類(lèi)方法是看凸點(diǎn)間距的大小。較小的凸點(diǎn)間距意味著更多的I/O數(shù)，即更高的互連密度，這是許多高計(jì)算應(yīng)用所必需的。通常，我們將先進(jìn)半導(dǎo)體封裝定義為凸點(diǎn)間距小于100μm的任何封裝。

凸點(diǎn)間距

I/O數(shù)是隨著凸點(diǎn)間距的減小而增加的，例如：10μm凸點(diǎn)間距封裝技術(shù)可以提供大約400倍于200μm凸點(diǎn)間距封裝技術(shù)的I/O數(shù)。

Cu-Cu混合鍵合的典型應(yīng)用

Cu-Cu混合鍵合技術(shù)可以提高封裝的可靠性和穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的封裝技術(shù)中，芯片與基板之間的連接通常采用引線或載帶等方式，這些連接方式容易受機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等因素的影響，導(dǎo)致連接失效或損壞。而Cu-Cu混合鍵合的連接具有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可有效地提高封裝的可靠性和穩(wěn)定性。

此外，Cu-Cu混合鍵合技術(shù)的制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)大規(guī)模生產(chǎn)，從而降低成本并提高效率。該技術(shù)可應(yīng)用于不同類(lèi)型的芯片和基板材料，具有廣泛的適用性，特別是在高密度、高性能的封裝中具有顯著優(yōu)勢(shì)。Cu-Cu混合鍵合的典型應(yīng)用包括：

倒裝芯片封裝（FC）：在倒裝芯片封裝中，通過(guò)Cu-Cu混合鍵合實(shí)現(xiàn)芯片的凸點(diǎn)與基板的相應(yīng)觸點(diǎn)互連。這種封裝方式具有高密度、高性能的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算、通信、軍事等領(lǐng)域。

3D封裝：在芯片堆疊封裝中，通過(guò)Cu-Cu混合鍵合實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連，將多個(gè)芯片堆疊在一起，從而在有限的空間內(nèi)增加更多的功能和性能。這種封裝方式在智能手機(jī)、平板電腦等便攜式設(shè)備中應(yīng)用很廣。

晶圓級(jí)封裝：將整個(gè)晶圓封裝在一起，通過(guò)Cu-Cu混合鍵合實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連。這種封裝方式具有高密度、低成本、小型化的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種高性能集成電路。

傳統(tǒng)凸點(diǎn)工藝難以縮小間距

在傳統(tǒng)的倒裝芯片焊接工藝中，凸點(diǎn)間距被限制在40μm-50μm，無(wú)鉛焊料和Cu在230℃左右熔化后可形成穩(wěn)定的接點(diǎn)，接點(diǎn)間需要底部填充物來(lái)提高其機(jī)械性能。不過(guò)，熱膨脹失配可能導(dǎo)致翹曲和管芯移位等可靠性問(wèn)題。

當(dāng)凸點(diǎn)間距減小到大約10μm時(shí)，焊球尺寸的減小增加了形成金屬間化合物（IMC）的風(fēng)險(xiǎn)，降低了IMC點(diǎn)的導(dǎo)電值和機(jī)械性能。此外，如果凸點(diǎn)間距太小，相鄰的焊球可能會(huì)接觸到，在回流焊過(guò)程中出現(xiàn)橋接現(xiàn)象導(dǎo)致芯片故障。而焊料和IMC的電阻率大約是Cu的十倍，不適合高性能組件封裝。

另外，隨著焊料凸點(diǎn)間距的縮小，用于接合的凸點(diǎn)高度和表面積的減小使得建立可靠的電連接變得越來(lái)越困難，需要精確的制造工藝來(lái)避免誤差。為此，關(guān)鍵的共面性和表面粗糙度變得至關(guān)重要，因?yàn)榧词故俏⑿〉牟灰?guī)則性也會(huì)影響鍵合的成功。

由于采用較小的Cu柱和凸點(diǎn)直徑，制造中面臨蝕刻困難等障礙，更有可能發(fā)生過(guò)腐蝕（undercutting）。另外，由于有效確保均勻性和控制共面性變得更加困難，電化學(xué)沉積（ECD）鍍層的復(fù)雜性也會(huì)增加。而且，隨著凸點(diǎn)尺寸的不斷縮小，鍵合質(zhì)量對(duì)凸點(diǎn)共面性、表面粗糙度和硬度等因素的敏感性使其對(duì)溫度、時(shí)間和壓力等參數(shù)的調(diào)整變得更加復(fù)雜。

為了解決倒裝焊的局限性難題，行業(yè)提出了Cu-Cu混合鍵合技術(shù)。該技術(shù)是在介電材料之間嵌入金屬觸點(diǎn)，并使用熱處理使Cu原子固態(tài)擴(kuò)散將材料連接在一起，消除了焊接時(shí)遇到的橋接問(wèn)題。Cu工藝是半導(dǎo)體行業(yè)中公認(rèn)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)小于1μm的凸點(diǎn)間距。

與倒裝焊相比，混合焊的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。首先，它實(shí)現(xiàn)了超細(xì)間距和小接點(diǎn)尺寸，有助于實(shí)現(xiàn)高I/O數(shù)。因?yàn)槠骷枰絹?lái)越多的連接來(lái)滿足性能要求，這對(duì)現(xiàn)代半導(dǎo)體封裝至關(guān)重要；其次，與通常依賴(lài)于底部填充材料的倒裝焊不同，Cu-Cu混合鍵合無(wú)需進(jìn)行底部填充，降低了寄生電容、電阻和電感及熱阻；最后，Cu-Cu混合鍵合中減小了連接厚度，幾乎消除了倒裝芯片技術(shù)中10-30μm厚度的焊球，為更緊湊、更高效的半導(dǎo)體封裝開(kāi)辟了新的可能性。

Cu-Cu混合鍵合面臨的挑戰(zhàn)

Cu-Cu混合鍵合技術(shù)為先進(jìn)半導(dǎo)體封裝帶來(lái)了巨大的前景，但它也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)，需要有針對(duì)未來(lái)發(fā)展的創(chuàng)新解決方案。

目前有三種Cu-Cu混合鍵合方式：晶圓對(duì)晶圓（W2W）工藝是最常用的工藝；管芯對(duì)晶圓（D2W）或芯片對(duì)晶圓（C2W）工藝正處于密集研發(fā)中，因?yàn)檫@兩種方法可以滿足更多需要集成不同尺寸管芯的應(yīng)用。

Cu-Cu混合鍵合的三種方法和應(yīng)用

對(duì)于這三種方式，制造中的一個(gè)關(guān)鍵是鍵合環(huán)境，通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）優(yōu)化實(shí)現(xiàn)平坦清潔的介電表面至關(guān)重要。此外，介電材料能夠承受較低退火溫度和較短持續(xù)時(shí)間，對(duì)于最大限度地減少鍵合過(guò)程中晶圓變形和翹曲的可能性也很重要。Cu解決方案的優(yōu)化電化學(xué)沉積（ECD）還可以減少退火時(shí)間并降低退火溫度，從而提高效率。

在D2W/C2W工藝的情況下，重要的是解決與劃片（die singulation）和邊緣效應(yīng)相關(guān)的挑戰(zhàn)，并最大限度地減少對(duì)管芯和晶圓的污染。高精度貼片機(jī)對(duì)于確保精確的管芯放置非常必要，可以將誤差縮小到0.2μm。為了適應(yīng)可能的放置誤差，必須有更大的Cu焊盤(pán)。此外，先進(jìn)的薄晶圓處理技術(shù)將在確保成功實(shí)現(xiàn)Cu-Cu混合鍵合方面發(fā)揮重要作用。

Cu-Cu混合鍵合的步驟

Cu-Cu混合鍵合的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)步驟。首先，按照芯片大小將晶圓分割成單一的晶粒，以用于隨后的芯片貼裝、引線鍵合等工序。第二步是表面處理，使用化學(xué)等手段對(duì)晶圓表面進(jìn)行清潔、去氧化層等處理，以去除表面的污染物和氧化層，提高鍵合質(zhì)量。然后對(duì)晶圓表面進(jìn)行研磨拋光，以去除表面的粗糙度和缺陷，提高表面平整度和鍵合可靠性。切割和研磨拋光操作需要精確控制，以確保晶圓的尺寸和厚度符合要求。

前期處理是Cu-Cu混合鍵合的重要步驟之一，其目的是為了確保晶圓的表面狀態(tài)和尺寸精度符合要求，以提高鍵合質(zhì)量和可靠性。

在進(jìn)行鍵合準(zhǔn)備時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)熱和壓力調(diào)節(jié)。首先將芯片和基板分別放置在預(yù)熱爐中進(jìn)行預(yù)熱，以達(dá)到適宜的鍵合溫度。預(yù)熱溫度的選擇應(yīng)根據(jù)芯片和基板材料的特性合理調(diào)整；同時(shí)還需要調(diào)整鍵合機(jī)壓力，使其能夠正確施加在芯片和基板之間，以確保鍵合的牢固性和穩(wěn)定性。

在鍵合操作過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制鍵合溫度、壓力和時(shí)間等參數(shù)，以確保鍵合的質(zhì)量和可靠性。

總之，Cu-Cu混合鍵合作為一種先進(jìn)的芯片連接技術(shù)，在微電子封裝領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Cu-Cu混合鍵合的未來(lái)發(fā)展可能將集中在精煉和優(yōu)化工藝方面，包括CMP、介電材料、ECD（電化學(xué)沉積）解決方案、貼片機(jī)的進(jìn)步，以及處理薄晶圓的創(chuàng)新?？朔@些挑戰(zhàn)將為在先進(jìn)半導(dǎo)體封裝中更廣泛地采用Cu-Cu混合鍵合鋪平道路，從而能夠制造出更小、功能更強(qiáng)大、更節(jié)能的電子器件。