學(xué)習(xí)筆記 | 先進(jìn)封裝里的Hybrid Bonding技術(shù)

我覺(jué)得在目前半導(dǎo)體領(lǐng)域無(wú)論如何強(qiáng)調(diào)先進(jìn)封裝，尤其是最近大熱的2.5D/3D封裝的重要性都是不為過(guò)的。前一陣子，我也整理了一個(gè)國(guó)內(nèi)外主要廠商的自有先進(jìn)封裝技術(shù)的列表：

不過(guò)僅僅停留在封裝工藝技術(shù)本身是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，尤其是對(duì)于行業(yè)研究和投資的人而言，我們需要了解更多的每個(gè)工藝環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)、以及其設(shè)備材料供應(yīng)鏈的具體信息。在這些地方，存在著未來(lái)最大的投資機(jī)會(huì)

先進(jìn)封裝技術(shù)路線繁多，里面具體采用的各種工藝技術(shù)也是五花八門(mén)，比如：Interposer、TSV、RDL、Bumping...。而最近幾天，最引起我特別關(guān)注的是立體封裝里的鍵合（Bonding）技術(shù)

各種先進(jìn)封裝技術(shù)的采用目的除了能否縮小總體芯片面積、整合不同工藝的顆粒，另一個(gè)最大作用就是提升芯片間的互聯(lián)性能、提升傳輸速度、降低不必要的功耗

如果高速CPU和GPU是通過(guò)PCB板和DRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不僅通信速度會(huì)大幅下降，而且很可能會(huì)有接近一半的功耗會(huì)浪費(fèi)在通信本身而不是有效的計(jì)算。而采用先進(jìn)的尤其是立體封裝，單純花費(fèi)在通信上功耗占比就有可能降低到20%以下，這對(duì)于AI等領(lǐng)域的應(yīng)用而言顯然是具有莫大的裨益

而提升數(shù)據(jù)通信的效率，就必須縮小走線長(zhǎng)度，增加單位面積的I/O信號(hào)端口,這就意味著需要不縮小鍵合凸塊（Bump）的物理尺寸

上圖是我在網(wǎng)上找到的一個(gè)說(shuō)明圖片。由圖可以看到，傳統(tǒng)Solder bump從FlipChip領(lǐng)域（Die 2 Substrate）的100微米數(shù)量級(jí)演進(jìn)到了后來(lái)的Micro Bump的幾十微米（Die 2 RDL/Interposer），目前已經(jīng)發(fā)展到幾微米程度的Hybrid Bump

上面這張同樣是我網(wǎng)上找到的圖片。它更加詳細(xì)地展示了凸塊尺寸不斷微縮的技術(shù)發(fā)展路徑。凸塊從一開(kāi)始的錫球，經(jīng)過(guò)不斷微縮后逐漸被銅柱工藝取代，然后是固液互擴(kuò)散鍵合法( SLID, Solid-Liquid-Inter-diffusion Bonding)等技術(shù)，最后發(fā)展為直接的銅Pad鍵合（第二張圖里沒(méi)有展示）

更小的凸塊尺寸/間距就使得芯片能夠直接通過(guò)Interposer等小連線間距的RDL載體直接鍵合，甚至可以實(shí)現(xiàn)芯片之間Face-2-Face的直接連接，從而大幅度提升互聯(lián)效率

而凸塊間距的不斷變小的過(guò)程中，對(duì)于整個(gè)鍵合工藝的要求也是持續(xù)提升，甚至導(dǎo)致發(fā)生質(zhì)的變化。不僅工藝流程本身有巨大改變，具體工藝環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的材料和設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的要求也是指數(shù)級(jí)增加

在本文中，我打算整理和展示一下最新收集的關(guān)于Hybrid Bonding的信息。因?yàn)槲蚁嘈牛@個(gè)領(lǐng)域中對(duì)于行業(yè)投資者而言一定存在著巨大的機(jī)會(huì)

首先，我在SUSS公司的官網(wǎng)上找到了一個(gè)對(duì)于Hybrid Bonding技術(shù)的解釋：“混合鍵合指的是兩種金屬層的熱壓鍵合與熔融鍵合混合進(jìn)行的鍵合方法。該工藝過(guò)程中會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一種電力（金屬鍵合）和機(jī)械力熔融鍵合?！?。這總技術(shù)使得不同芯片間的銅Pad可以面對(duì)面地直接在室溫條件下彼此鍵合在一起，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)

Hybrid Bonding技術(shù)最早的實(shí)際應(yīng)用是SONY公司的高端CMOS Image Sensor產(chǎn)品。通過(guò)把圖像傳感器晶圓和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理芯片的晶圓直接鍵合，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)的高效并行傳輸

后來(lái)這個(gè)技術(shù)被廣泛采用到了邏輯芯片和存儲(chǔ)芯的3D互連里。而且由于需要解決不同尺寸（Die Size）芯片之間的直接鍵合。Hybrid Bonding的應(yīng)用又從原本W(wǎng)afer to Wafer（W2W）的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了 Die to Wafer（D2W），就是將切割好的Die一個(gè)個(gè)地貼到另一個(gè)完整晶圓上，和晶圓上的Die實(shí)現(xiàn)鍵合

對(duì)于D2W，EVG的官網(wǎng)上就介紹了兩種技術(shù)路徑：

1）Collective Die-to-Wafer Bonding

這種方法是將切割好的Die用臨時(shí)鍵合的方式粘到Carrier晶圓上，然后整片地和另一片產(chǎn)品晶圓整片鍵合再解鍵。這個(gè)技術(shù)非常類似傳統(tǒng)W2W，相對(duì)成熟，但是一次D2W加一次W2W的方式容易累計(jì)誤差，Carrier晶圓處理成本高，且對(duì)Die的厚度變化范圍有較高要求

2）Collective Die-to-Wafer Bonding

這種方法是將切好的Die一顆一顆地放置到另一片產(chǎn)品晶圓的對(duì)應(yīng)位置上。這樣一來(lái)，位置精度會(huì)提高且對(duì)Die的厚度變化容忍度高，但也有顆粒控制等問(wèn)題

以上是Hybrid Bonding技術(shù)的不同技術(shù)路徑。不過(guò)不管是采用W2W也好，D2W也罷，幾者的核心工藝環(huán)節(jié)大體類同。我根據(jù)《混合鍵合工藝進(jìn)入發(fā)展快車道》一文整理了Hybrid Bonding的主要工藝環(huán)節(jié)：

電化學(xué)沉積/ECD

刻蝕/Etch

拋光/CMP

等離子體活化/Plasma Activation

對(duì)準(zhǔn)/Bond Alignment

混合鍵合/Hybrid Bond

臨時(shí)鍵合解鍵 Temparory Bond/Debond

退火 Anneal

量測(cè) Inspection&Metrology

這個(gè)流程里大多數(shù)環(huán)節(jié)其實(shí)和傳統(tǒng)前道工藝是基本重合的，只有鍵合 和 臨時(shí)鍵合兩項(xiàng)是比較特殊的。所以我也特別關(guān)注和學(xué)習(xí)這兩個(gè)技術(shù)

毫無(wú)例外，Hybrid Bonding的設(shè)備目前也是主要掌握在海外企業(yè)手里。我收集到的供應(yīng)商名單主要有：

BESI 荷蘭 D2WEVG 奧地利 D2WASMpt 新加坡 D2WSET 法國(guó) D2WSUSS 德國(guó) D2WShibaura 日本 D2WTEL 日本 W2W而中國(guó)大陸目前也有不少設(shè)備公司開(kāi)始研發(fā)這個(gè)產(chǎn)品了。

今年的Semicon CHINA上高調(diào)公布的就有華卓精科（W2W）和拓荊科技（W2W）其它還有好幾家，W2W和D2W的都有，但我目前還沒(méi)有收集完全，容我賣(mài)個(gè)關(guān)子，以后慢慢分享總體而言，Hybrid Bonding的設(shè)備被歐日供應(yīng)商壟斷，反而美國(guó)的資源不多（只有BESI據(jù)說(shuō)是和AMAT戰(zhàn)略合作）。無(wú)論是W2W路線還是D2W路線，其底層的的技術(shù)都是精密運(yùn)動(dòng)控制，而歐日企業(yè)在這塊積累較多，所以能夠壟斷市場(chǎng)；而華卓精科有工件臺(tái)的技術(shù)底子，所以也有研發(fā)產(chǎn)品的先決條件和優(yōu)勢(shì)

另外，從我對(duì)幾家D2W設(shè)備供應(yīng)商的研究來(lái)看，他們的技術(shù)幾乎都是從原有的高端FlipChip演變發(fā)展而來(lái)的。事實(shí)上，兩者在技術(shù)方向上是幾乎完全一致的，只是Hybrid Bonding要求的精度更高而已。所以從這一點(diǎn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)擁有FlipChip?Bonding設(shè)備產(chǎn)品和技術(shù)的公司理論上都有研發(fā)Hybrid?Bonder的可能性事實(shí)上，和海外企業(yè)主要集中在D2W領(lǐng)域相反，國(guó)內(nèi)做W2W的似乎多一些，目前做D2W的只有兩三家而已。這塊應(yīng)該是未來(lái)國(guó)產(chǎn)設(shè)備突破的好方向，有興趣的投資人可以看一下

除了Die Bonder，另一個(gè)臨時(shí)鍵合和解鍵Temparory Bond/Debond領(lǐng)域應(yīng)該也是一個(gè)不錯(cuò)的方向。而且這塊的設(shè)備和膠水都有巨大市場(chǎng)機(jī)會(huì)目前我了解到的海外公司主要有EVG、TOK等，國(guó)內(nèi)我統(tǒng)計(jì)到的還不完善，也就先不在這里說(shuō)了

針對(duì)先進(jìn)封裝的詳細(xì)資料，我計(jì)劃在九月底的閉門(mén)講座上和學(xué)員分享，屆時(shí)會(huì)整理多一些的供應(yīng)商信息，還有一些其它相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的講解。有興趣了解課程計(jì)劃的朋友，請(qǐng)聯(lián)系我們的微信服務(wù)號(hào)，二維碼見(jiàn)下方：