學習筆記 | 先進封裝里的Hybrid Bonding技術

我覺得在目前半導體領域無論如何強調先進封裝，尤其是最近大熱的2.5D/3D封裝的重要性都是不為過的。前一陣子，我也整理了一個國內外主要廠商的自有先進封裝技術的列表：

不過僅僅停留在封裝工藝技術本身是遠遠不夠的，尤其是對于行業(yè)研究和投資的人而言，我們需要了解更多的每個工藝環(huán)節(jié)的細節(jié)、以及其設備材料供應鏈的具體信息。在這些地方，存在著未來最大的投資機會

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

各種先進封裝技術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PCB板和DRAM進行數(shù)據交換，不僅通信速度會大幅下降，而且很可能會有接近一半的功耗會浪費在通信本身而不是有效的計算。而采用先進的尤其是立體封裝，單純花費在通信上功耗占比就有可能降低到20%以下，這對于AI等領域的應用而言顯然是具有莫大的裨益

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

上圖是我在網上找到的一個說明圖片。由圖可以看到，傳統(tǒng)Solder bump從FlipChip領域（Die 2 Substrate）的100微米數(shù)量級演進到了后來的Micro Bump的幾十微米（Die 2 RDL/Interposer），目前已經發(fā)展到幾微米程度的Hybrid Bump

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

更小的凸塊尺寸/間距就使得芯片能夠直接通過Interposer等小連線間距的RDL載體直接鍵合，甚至可以實現(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程中，對于整個鍵合工藝的要求也是持續(xù)提升，甚至導致發(fā)生質的變化。不僅工藝流程本身有巨大改變，具體工藝環(huán)節(jié)對應的材料和設備技術指標的要求也是指數(shù)級增加

在本文中，我打算整理和展示一下最新收集的關于Hybrid Bonding的信息。因為我相信，這個領域中對于行業(yè)投資者而言一定存在著巨大的機會

首先，我在SUSS公司的官網上找到了一個對于Hybrid Bonding技術的解釋：“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行的鍵合方法。該工藝過程中會同時產生一種電力（金屬鍵合）和機械力熔融鍵合?！?。這總技術使得不同芯片間的銅Pad可以面對面地直接在室溫條件下彼此鍵合在一起，實現(xiàn)互聯(lián)

Hybrid Bonding技術最早的實際應用是SONY公司的高端CMOS Image Sensor產品。通過把圖像傳感器晶圓和數(shù)據存儲、處理芯片的晶圓直接鍵合，實現(xiàn)大規(guī)模圖像數(shù)據的高效并行傳輸

后來這個技術被廣泛采用到了邏輯芯片和存儲芯的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的應用又從原本Wafer to Wafer（W2W）的基礎上又發(fā)展出了 Die to Wafer（D2W），就是將切割好的Die一個個地貼到另一個完整晶圓上，和晶圓上的Die實現(xiàn)鍵合

對于D2W，EVG的官網上就介紹了兩種技術路徑：

1）Collective Die-to-Wafer Bonding

這種方法是將切割好的Die用臨時鍵合的方式粘到Carrier晶圓上，然后整片地和另一片產品晶圓整片鍵合再解鍵。這個技術非常類似傳統(tǒng)W2W，相對成熟，但是一次D2W加一次W2W的方式容易累計誤差，Carrier晶圓處理成本高，且對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品晶圓的對應位置上。這樣一來，位置精度會提高且對Die的厚度變化容忍度高，但也有顆粒控制等問題

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

電化學沉積/ECD

刻蝕/Etch

拋光/CMP

等離子體活化/Plasma Activation

對準/Bond Alignment

混合鍵合/Hybrid Bond

臨時鍵合解鍵 Temparory Bond/Debond

退火 Anneal

量測 Inspection&Metrology

這個流程里大多數(shù)環(huán)節(jié)其實和傳統(tǒng)前道工藝是基本重合的，只有鍵合 和 臨時鍵合兩項是比較特殊的。所以我也特別關注和學習這兩個技術

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

BESI 荷蘭 D2WEVG 奧地利 D2WASMpt 新加坡 D2WSET 法國 D2WSUSS 德國 D2WShibaura 日本 D2WTEL 日本 W2W而中國大陸目前也有不少設備公司開始研發(fā)這個產品了。

今年的Semicon CHINA上高調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，但我目前還沒有收集完全，容我賣個關子，以后慢慢分享總體而言，Hybrid Bonding的設備被歐日供應商壟斷，反而美國的資源不多（只有BESI據說是和AMAT戰(zhàn)略合作）。無論是W2W路線還是D2W路線，其底層的的技術都是精密運動控制，而歐日企業(yè)在這塊積累較多，所以能夠壟斷市場；而華卓精科有工件臺的技術底子，所以也有研發(fā)產品的先決條件和優(yōu)勢

另外，從我對幾家D2W設備供應商的研究來看，他們的技術幾乎都是從原有的高端FlipChip演變發(fā)展而來的。事實上，兩者在技術方向上是幾乎完全一致的，只是Hybrid Bonding要求的精度更高而已。所以從這一點來看，國內擁有FlipChip?Bonding設備產品和技術的公司理論上都有研發(fā)Hybrid?Bonder的可能性事實上，和海外企業(yè)主要集中在D2W領域相反，國內做W2W的似乎多一些，目前做D2W的只有兩三家而已。這塊應該是未來國產設備突破的好方向，有興趣的投資人可以看一下

除了Die Bonder，另一個臨時鍵合和解鍵Temparory Bond/Debond領域應該也是一個不錯的方向。而且這塊的設備和膠水都有巨大市場機會目前我了解到的海外公司主要有EVG、TOK等，國內我統(tǒng)計到的還不完善，也就先不在這里說了

針對先進封裝的詳細資料，我計劃在九月底的閉門講座上和學員分享，屆時會整理多一些的供應商信息，還有一些其它相關技術領域的講解。有興趣了解課程計劃的朋友，請聯(lián)系我們的微信服務號，二維碼見下方：