上周，在IEEE 電子元件和技術(shù)會議 (ECTC) 上，研究人員推動了一項對尖端處理器和內(nèi)存至關(guān)重要的技術(shù)的最新進展。這項技術(shù)被稱為混合鍵合，將兩個或多個芯片在同一封裝內(nèi)堆疊在一起，盡管曾經(jīng)定義摩爾定律的傳統(tǒng)晶體管縮小速度總體放緩，但芯片制造商仍可以增加處理器和內(nèi)存中的晶體管數(shù)量。

來自主要芯片制造商和大學(xué)的研究小組展示了各種來之不易的改進，其中包括應(yīng)用材料、Imec、英特爾和索尼等公司的研究成果，這些成果可能使3D 堆疊芯片之間的連接密度達到創(chuàng)紀錄的水平，每平方毫米硅片上的連接數(shù)量約為 700 萬個。

英特爾的Yi Shi告訴 ECTC 的工程師們， 由于半導(dǎo)體進步的新性質(zhì)，所有這些連接都是必要的。正如英特爾技術(shù)開發(fā)總經(jīng)理 Ann Kelleher在 2022 年向IEEE Spectrum解釋的那樣，摩爾定律現(xiàn)在受一個稱為系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（STCO）的概念支配。在STCO中，芯片的功能（例如緩存、輸入/輸出和邏輯）被分離出來，并使用針對每個功能的最佳制造技術(shù)來制造。

然后，混合鍵合和其他先進的封裝技術(shù)可以將它們重新組裝起來，使它們像整塊硅片一樣工作。但這只有在高密度連接的情況下才能實現(xiàn)，這種連接可以在幾乎沒有延遲或能耗的情況下在硅片之間傳送比特。

混合鍵合并不是目前唯一一種先進的封裝技術(shù)，但它提供了最高密度的垂直連接。Besi 公司技術(shù)高級副總裁Chris Scanlan表示，混合鍵合在 ECTC 上占據(jù)主導(dǎo)地位，約占所展示研究的五分之一，該公司的工具是多項突破的幕后推手。


混合鍵合到底是什么？

混合鍵合用于芯片的垂直（或 3D）堆疊。混合鍵合的顯著特點是它是無凸塊的。它從基于焊料的凸塊技術(shù)轉(zhuǎn)向直接銅對銅連接。這意味著頂部die和底部die彼此齊平。兩個芯片都沒有凸塊，而是只有可縮放至超細間距的銅焊盤。沒有焊料，因此避免了與焊料相關(guān)的問題。

從上圖中，我們可以看到AMD 3D V-Cache的橫截面，它采用臺積電的SoIC-X的die-to-wafer混合鍵合。頂部和底部硅之間的鍵合界面是混合鍵合層，存在于硅芯片（silicon dies）的金屬層的頂部。混合鍵合層是一種電介質(zhì)（現(xiàn)在最常見的是 SiO 或 SiCN），采用通常為亞 10 微米間距的銅焊盤和通孔進行圖案化。

電介質(zhì)的作用是使每個焊盤絕緣，使得焊盤之間不存在信號干擾。銅焊盤通過硅通孔 (TSV) 連接到芯片金屬層。TSV 需要向堆棧中的其他芯片傳輸電源和信號。當(dāng)?shù)撞啃酒懊娉隆保╢ace down）放置時，需要這些通孔來連接頂部芯片上的金屬層，穿過晶體管層到達底部芯片上的金屬層。

信號正是通過這些銅焊盤進行芯片間通信。這種鍵合之所以是“混合”鍵合，是因為它是電介質(zhì)-電介質(zhì)鍵合（dielectric-dielectric bond）和直接銅對銅鍵合（direct copper-to-copper bond）的組合。鍵合界面之間沒有使用額外的粘合劑或材料。


高端芯片專用賽道

混合鍵合互連方案可以顯著降低整體封裝厚度，在多芯片堆疊封裝中甚至可能高達數(shù)百微米。為此，自十多年前在 CMOS 圖像傳感器中首次亮相，混合鍵合逐漸走向了3D NAND，甚至連DRAM和HBM，也對混合鍵合產(chǎn)生了興趣。今年二月更是有消息傳出，英特爾下一代 Xeon“Clearwater Forest”CPU 采用一個名為“Foveros Direct”的混合鍵合的3D 堆疊技術(shù)。

有TCB支持者坦言，在凸塊間距達到 25 微米后，還會繼續(xù)使用已安裝的 TCB 工具。張贊彬也認為，Hybrid Bonding只有在很高端應(yīng)用才會用到。

“Hybrid Bonding是針對微納米這種高端工藝的，這種技術(shù)不是每一種產(chǎn)品可以應(yīng)用，因為它的價格和成本都很高，所以我覺得幾種高端產(chǎn)品會有這種應(yīng)用，大部分的芯片還是會用到傳統(tǒng)的方法。”張贊彬說。他指出，和TCB是一個后段制程不一樣，混合鍵合某種程度上是一個前道工藝，所以這帶來的挑戰(zhàn)也是顯而易見的。

“混合鍵合對環(huán)境要求非常高，要達到class 1 clean room（非常的清潔），這是為什么現(xiàn)在目前投資Hybrid Bonding的大部分客戶都是前端的客戶，因為他們有前端的制程、設(shè)備和環(huán)境，所以可以擴大Hybrid Bonding。但是一個傳統(tǒng)的封裝廠如果想切入這個領(lǐng)域，則要做一個大投資，要做非常清潔的Clean room，這樣的話門檻就提高了很多。這也是為什么打線機今天還那么受歡迎，因為在封裝這方面是最實際、最便宜的方法。”張贊彬解析說。

最近的一則新聞，也讓混合鍵合遭受了打擊。

在去年12月舉辦的IEDM 2023上，SK海力士宣布，其已確保HBM制造中使用的混合鍵合工藝的可靠性。消息表示，HBM 芯片的標(biāo)準(zhǔn)厚度為 720 μm。預(yù)計將于 2026 年左右量產(chǎn)的第 6 代 HBM（HBM4）需要垂直堆疊 16 個 DRAM，這對當(dāng)前的封裝技術(shù)滿足客戶滿意度來說是一個挑戰(zhàn)。因此，Hybrid Bonding工藝在下一代HBM中的應(yīng)用被業(yè)界認為是必然的。

但是，早前有消息透露，國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)組織（JEDEC）的主要參與者近日同意將HBM4產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)定為775微米，那就意味著HBM開發(fā)者使用現(xiàn)有的鍵合技術(shù)就可以充分實現(xiàn)16層DRAM堆疊HBM4。

不過，這應(yīng)該不會阻擋廠商們投入這個賽道。據(jù)了解，包括臺積電、英特爾、三星、SK海力士、美光、索尼、豪威科技、鎧俠、西部數(shù)據(jù)、Besi、芝浦電子、東京電子、應(yīng)用材料、EV Group、SUSS Microtec、SET和博世等廠商都對混合鍵合產(chǎn)生了興趣。

甚至連TCB解決方案的主要供應(yīng)商Kulicke & Soffa加入了混合鍵合陣營，對這個技術(shù)進行了預(yù)研，并認為這個技術(shù)在未來某個時刻迎來新的機會。

設(shè)備廠商，見招拆招

雖然有波折，但先進封裝前進的道路是不可逆轉(zhuǎn)的。

行業(yè)咨詢機構(gòu)Yole在去年年底發(fā)布的報告中表示，預(yù)計先進封裝市場在 2023 年將下降 1.4%，但2023年Q3，先進封裝（AP）營收較上季度大幅增長23.7%，總計達到110億美元。

Yole進一步指出，在未來幾年，先進封裝收入預(yù)計將以 8.6% 的復(fù)合年增長率增長，從 2022 年的429億美元增長到 2028 年的704億美元。就收入而言，倒裝芯片 BGA、倒裝芯片 CSP 和 2.5D/3D 是主導(dǎo)封裝平臺，其中 2.5D/3D 技術(shù)顯示出最高的增長率，預(yù)計將從 2022 年的94億美元增長到 2028 年的225億美元，復(fù)合年增長率為 15.6%。

作為先進封裝的主要實施者，設(shè)備廠商也正在見招拆招。

首先看Kulicke & Soffa，如上所述，他們現(xiàn)在這個階段應(yīng)該是非常看好TCB，在去年8月，他們曾經(jīng)發(fā)布新聞稿表示，將擴大與UCLA CHIPS的合作，開發(fā)超細間距微凸塊互連解決方案。按照他們在當(dāng)時的新聞稿所說，不久之后，30μm 微凸塊間距的熱壓接合 (TCB) 變得可行。通過利用甲酸處理（By leveraging formic acid treatment），K&S 在 TCB 中展示了 10μm 間距的能力。雙方的合作則旨在進一步開發(fā)可制造的銅對銅解決方案，將其間縮小至 5μm以下。

ASMPT 首席執(zhí)行官Robin Ng在接受媒體采訪的時候則表示，他將于今年下半年開始向客戶提供混合鍵合機。Ng 表示，當(dāng)混合鍵合芯片系統(tǒng)封裝的大規(guī)模生產(chǎn)真正起飛時，ASMPT 已準(zhǔn)備好交付機器。他進一步指出，ASMPT將大幅增加先進封裝的研發(fā)預(yù)算，包括熱壓鍵合、光子學(xué)和混合鍵合。

而作為混合鍵合機市場的激進玩家，Besi的首席執(zhí)行官Richard Blickman在介紹年度業(yè)績時透露，截止2023年，除了三名現(xiàn)有客戶外，公司還為這些混合鍵合機器贏得了六名新客戶，Besi 也有 40 多套混合鍵合系統(tǒng)現(xiàn)已投放市場。

相關(guān)資料顯示，英特爾和臺積電是 Besi 的主要客戶，但他們對內(nèi)存市場寄予厚望。例如HBM，就是Besi 最看好的方向，但目前他們只有美光一個客戶。據(jù)Richard Blickma預(yù)計，內(nèi)存市場不會為第一代 HBM4 部署混合鍵合，第二代的可能性更大。

另一家設(shè)備供應(yīng)商EV Group則為NAND 市場提供設(shè)備，以實現(xiàn)晶圓對晶圓混合鍵合工藝。


未來 HBM 主流堆疊鍵合技術(shù)

混合鍵合潛在應(yīng)用良多，出貨量有望快速增長。目前，混合鍵合技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和高性能計算應(yīng)用的高端邏輯芯片領(lǐng)域。AMD在其Ryzen 7 5800x的芯片設(shè)計中，采用了臺積電的混合鍵合技術(shù) SoIC，將 7nm 64MB SRAM 堆疊并鍵合到 7nm 處理器上，使內(nèi)存密度增加了兩倍，成為第一家推出采用銅混合鍵合芯片的供應(yīng)商。Besi 預(yù)估，2024年邏輯芯片領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇乱惠喕旌湘I合需求浪潮，而隨著 HBM 需求持續(xù)抬升，存儲領(lǐng)域?qū)恿壿嬓酒暙I明顯增量，中性假設(shè)下全球 2030 年混合鍵合設(shè)備保有量有望達到 1400 臺左右，混合鍵合技術(shù)為未來芯片互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展方向之一。