引言
當(dāng)電子封裝行業(yè)發(fā)展到3D封裝時(shí)，微凸塊通過(guò)在芯片上使用小銅凸塊作為晶圓級(jí)封裝的一種形式，提供芯片之間的垂直互連。凸塊的尺寸范圍從40微米節(jié)距到最終縮小到20微米或 10微米。
然而，問(wèn)題就在這里——范圍縮小到10微米以下變得非常具有挑戰(zhàn)性，工程師們正在轉(zhuǎn)向新的解決方案來(lái)繼續(xù)縮小尺寸?；旌湘I合通過(guò)完全避免使用凸塊，為10微米及以下節(jié)距提供了解決方案，而是使用小型銅對(duì)銅連接來(lái)連接封裝中的芯片。它提供了卓越的互連密度，可實(shí)現(xiàn)類似 3D 的封裝和先進(jìn)的內(nèi)存立方體。
混合鍵合是一種永久性鍵合，將介電鍵合 (SiOx) 與嵌入式金屬 (Cu) 相結(jié)合以形成互連。它被業(yè)界廣泛稱為直接鍵合互連 (DBI)?；旌湘I合擴(kuò)展了熔融鍵合，在鍵合界面處嵌入金屬墊，從而實(shí)現(xiàn)了晶圓的面對(duì)面連接。
混合鍵合通過(guò)緊密間隔的銅墊垂直連接芯片到晶圓(D2W)或晶圓到晶圓(W2W)。雖然W2W混合鍵合已在圖像傳感領(lǐng)域投入生產(chǎn)多年，但業(yè)界強(qiáng)烈推動(dòng)加快D2W混合鍵合的發(fā)展。這一發(fā)展將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成，從而提供一種強(qiáng)大而靈活的方法，可直接連接不同功能、尺寸和設(shè)計(jì)規(guī)則的芯片。
混合鍵合的原理及優(yōu)勢(shì)
混合鍵合利用多種物理或化學(xué)機(jī)制在不同材料之間形成穩(wěn)定的結(jié)合。
常見(jiàn)的鍵合方式包括：
?分子鍵合：利用范德華力或氫鍵實(shí)現(xiàn)表面結(jié)合。
?共價(jià)鍵合：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成牢固的鍵合，如Si-Si或SiO2-SiO2。
?金屬-金屬鍵合：如銅-銅（Cu-Cu）鍵合，廣泛用于3D IC封裝。
?熱壓鍵合：通過(guò)加熱和壓力增強(qiáng)材料之間的連接強(qiáng)度。
與其他鍵合技術(shù)相比，混合鍵合具有許多優(yōu)勢(shì)，包括：
?允許高級(jí)3D設(shè)備堆疊
?最高 I/O
?實(shí)現(xiàn)亞10微米鍵合間距
?更高的存儲(chǔ)密度
?擴(kuò)展帶寬
?增強(qiáng)功率
?提高速度效率
?無(wú)需使用碰撞，提高性能，且不會(huì)造成功率或信號(hào)損失
主要應(yīng)用領(lǐng)域
?半導(dǎo)體封裝與3D集成電路（3D IC）
采用Cu-Cu直接鍵合或SiO2-SiO2分子鍵合，提高互連密度和電信號(hào)傳輸效率。適用于TSV（硅通孔）和Chiplet（芯粒）封裝技術(shù)。
?光電子與光學(xué)封裝
在光通信模塊、硅光子器件等領(lǐng)域，混合使用分子鍵合和金屬鍵合，以優(yōu)化光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和熱管理。
?MEMS與傳感器
結(jié)合玻璃-硅陽(yáng)極鍵合、共價(jià)鍵合、焊料鍵合等，實(shí)現(xiàn)高氣密封裝，提高器件可靠性。
?功率電子與射頻（RF）器件
適用于GaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體，提升導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度，提高工作效率。
?生物醫(yī)學(xué)器件
在微流控芯片、植入式傳感器等應(yīng)用中，采用PDMS-玻璃鍵合、共價(jià)鍵合等技術(shù)，保證生物相容性和密封性。
挑戰(zhàn)與發(fā)展方向
?挑戰(zhàn)
工藝復(fù)雜性：對(duì)表面平整度、清潔度要求較高，工藝控制難度大。
良率與成本：提高良率、降低制造成本仍是主要挑戰(zhàn)。
可靠性：需要優(yōu)化鍵合界面以防止界面失效。
?未來(lái)發(fā)展方向
優(yōu)化工藝參數(shù)：提升鍵合界面的均勻性和可靠性。
自動(dòng)化與量產(chǎn)：推動(dòng)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高良率并降低成本。
異質(zhì)集成發(fā)展：支持不同材料、不同功能芯片的集成，提高系統(tǒng)性能。
混合鍵合在企業(yè)中的應(yīng)用
混合鍵合技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用主要涉及半導(dǎo)體制造、電子封裝、光電技術(shù)、MEMS傳感器及高端制造等領(lǐng)域。以下是一些具體應(yīng)用案例：
1. 半導(dǎo)體制造與先進(jìn)封裝
(1) 3D IC 與 Chiplet 技術(shù)
企業(yè)：臺(tái)積電（TSMC）、英特爾（Intel）、三星（Samsung）
應(yīng)用：采用Cu-Cu（銅-銅）混合鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高密度3D集成，提高信號(hào)傳輸速率，降低功耗。
在Chiplet（芯粒）設(shè)計(jì)中，利用混合鍵合進(jìn)行異構(gòu)集成，提升計(jì)算能力和封裝效率。
(2) 晶圓級(jí)封裝（WLP）
企業(yè)：臺(tái)積電、Amkor、日月光（ASE）
應(yīng)用：通過(guò)混合鍵合技術(shù)（如分子鍵合+金屬鍵合），提高封裝密度，增強(qiáng)散熱性能，減少封裝尺寸。
在高端手機(jī)處理器、AI 芯片、服務(wù)器芯片中廣泛應(yīng)用。
2. 光電子與硅光子器件
(1) 高速光通信模塊
企業(yè)：華為、思科（Cisco）、英特爾、NVIDIA（Mellanox）
應(yīng)用：采用混合鍵合（Si-玻璃+金屬鍵合）技術(shù)制造光電轉(zhuǎn)換芯片，提高光纖通信的速率和穩(wěn)定性。
在數(shù)據(jù)中心、5G 基站等場(chǎng)景中，優(yōu)化光模塊的集成度和散熱管理。
(2) AR/VR 顯示技術(shù)
企業(yè)：Meta（Oculus）、蘋(píng)果（Apple）、索尼（Sony）
應(yīng)用：結(jié)合微顯示器（Micro-LED）、硅基 OLED（Si-OLED）等技術(shù)，使用分子鍵合+金屬鍵合提高顯示精度和對(duì)比度。
在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更輕薄、高效的光學(xué)引擎。
結(jié)論
混合鍵合技術(shù)為高性能封裝和先進(jìn)器件集成提供了重要的技術(shù)支撐，特別是在3D IC、光電子、MEMS、功率器件和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。盡管仍面臨工藝復(fù)雜性和可靠性等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)，隨著 AI 計(jì)算、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，混合鍵合也將在企業(yè)中發(fā)揮更重要的作用。
2025年8月5日，國(guó)際混合鍵合研討會(huì)（iHBC）將在上海召開(kāi)。8月6號(hào)將召開(kāi)第二十六屆電子封裝技術(shù)國(guó)際會(huì)議（ICEPT)，展位、論壇火熱報(bào)名中，歡迎大家參加！
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