重塑3D封装技术格局，从微米到纳米，铜-铜混合键合

06-30 06:32

电子爱好者。com综合报道称，半导体封装技术正在经历从过去的平面架构向三维集成革命性的转变，其中铜 - 铜混和键合技术因其在互连密度、能效优化和异构集成方面的突破而成为推动力 3D 包装开发的核心动力。

数据显示，该技术通过将铜金属键合与介电层键合技术相结合，完成了亚微米级的垂直连接，提高了芯片堆叠密度的两个数量级，为突破摩尔定律的物理极限提供了可行的途径。

二十年来，锡基焊料的突点（Micro Bump）一直是芯片堆叠的标准导线。但是当相连间隔缩小到 10 μ m 下面，系统开始崩溃。金属化合物脆化会导致连接断裂、热膨胀差异、应力间隙、电流强度急剧增加、电转移失效等危害。

而铜 - 通过化学机械抛光，将铜焊盘表面的粗糙度保持在铜混合键合处。 1nm 下面，介电层表面结合等离子体活性处理形成甲基团， 200-400 在退火过程中，实现铜原子跨界面扩散与介电层共价一致，形成无间隙的三维连接。

这一工艺将传统的微凸封装 40-50 μ m 相互连接的间隔缩小到 1-2 μ m，IMEC 等待机构实现 400nm 间隔突破性验证，使每平方毫米的连接密度达到 700 万节点。这一高密度互连能力直接推动了 HBM3 三星和三星的技术演进， SK 通过这项技术，海力士将会 DRAM 堆叠层数增加到 16 上层，带宽突破 1TB/s。

就性能优势而言，铜 - 铜混和键合已经完全改变 3D 包装的电热管理特性。铜直接连接使数据传输电阻降低 50% 上述功耗仅为传统微凸块封装的三分之一，AMD 的 3D V-Cache 将采用这种技术 L3 缓存堆叠于 CPU 核心，计算率提高 15% 同时降低功耗 16%。

铜材料 400W/mK 与传统封装相比，高传热性与紧密堆叠结构相结合，降低了热阻。 15-30%，有效解决 AI 芯片等高功耗设备的散热问题。此外，该技术支持不同工艺节点和材料系统的异构集成-英伟达 H100 GPU 通过台积电 SoIC 平台实现 CPU、GPU 与 HBM 存储器的混合堆叠， Graphcore 的 IPU 然后借助混合键合将Cpu与 SRAM 整合，能效比提高 40%，这一灵活性使得ic设计摆脱了单一工艺的限制，实现了功能模块的最佳工艺匹配。

另外，台积电 SoIC 该平台支持晶圆与晶圆之间的混合键合， CoWoS_L 技术实现 3.5 大小的双光罩封装量产，成为英伟达、谷歌等公司 HPC 芯片核心封装方案。英特尔通过了 EMIB-T 采用分解式散热器和高导热界面材料相结合的技术优化供电设计，将混合键合应用于 HBM4 与 UCIe 芯粒集成。

然而，这一技术在大规模生产中面临着三大挑战。一是粒度超过 0.1 μ m 微粒会导致键合失效，要求工作环境的清洁度达到 ISO 3 等级或更高的洁净室标准，相当于手术室标准的千分之一。二是 300mm 如果在键合过程中晶圆的热膨胀差异超过 5 μ m(大约十五分之一的头发)，会导致精确对准功亏一篑。台积电采用激光辅助局部加热技术，减少了畸变。 30%。

第三，单台混合键合设备的价格超过了 500 万美元，促使芯片对晶圆(D2)W）技术的初始良率只有 85-90%。英特尔正在开发高聚物来帮助铜浆体，目标是将键合温度降低到 150 降低成本的℃。

总结

铜铜从技术变革到工业应用， - 铜混合键合技术正在重塑半导体制造的底层逻辑。它不仅是 3D 包装的关键创新是打开超越摩尔时代的钥匙，通过将系统级集成能力推向一个新的高度。 AI、在前沿领域，如自动驾驶、量子计算等，提供了坚实的硬件基础。随着产业链合作的深化和技术瓶颈的突破，这项技术将在未来十年继续释放创新势能，推动半导体产业走向更广阔的发展空间。

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