混合键合技术原理

混合键合（Hybrid Bonding）是一种先进的集成电路封装技术，主要用于实现不同芯片之间的高密度、高性能互联 。其关键特征是通过直接铜对铜的连接方式取代传统的凸点或焊球（bump）互连，从而能够在极小的空间内实现超精细间距的堆叠 。

在混合键合技术中，将两片以上不相同的晶圆通过金属互连来实现三维集成。这种技术是无凸块的，它从基于焊料的凸块技术转向直接铜对铜连接，意味着顶部die和底部die彼此齐平，两个芯片都没有凸块，而是只有可缩放至超细间距的铜焊盘 。例如，在长江存储的Xtacking架构中，CMOS晶圆和Array晶圆之间就采用了Hybrid Bonding技术，其Cu接触的间距已经缩放到1微米以下 。

三维堆叠封装的特点

3D封装又称为叠层芯片封装技术，是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术 。

（一）物理结构与空间利用优势

3D封装在垂直于芯片或封装表面的Z方向上实现多层堆叠封装，与传统封装相比具有显著的尺寸小和重量轻的特点。它可以使系统的尺寸和重量降低为原来的1/40至1/50 。这种封装方式的组装效率高达200%以上，能够让单个封装体实现更多功能，并且进一步缩小外围设备PCB的面积 。

（二）电气性能提升

3D封装体内部单位面积的互连点数大大增加，集成度更高，外部连接点数更少，从而提高了IC芯片的工作稳定性。芯片间导线长度显著缩短，信号传输速度得以提高，减少了信号时延与线路干扰，进一步提高了电气性能 。

（三）晶体管集成度增加

采用叠层3D封装技术将使芯片所包含晶体管数目成倍的增加，具有体积小、性能高、功耗低等优点 。

混合键合技术在三维堆叠封装中的优势

（一）更高的互连密度与带宽

混合键合技术采用微型铜到铜互连，在三维堆叠封装中提供了比现有芯片堆叠互连方案更高的密度和带宽。这有助于满足现代高性能计算、数据中心等应用对于高速数据传输的需求。例如AMD使用台积电的混合键合技术，这种技术为其提供了更高的带宽，可实现下一代类似3D的设备和封装 。

（二）更小的封装尺寸与更高的集成度

混合键合是无凸块的，从基于焊料的凸块技术转向直接铜对铜连接，顶部die和底部die彼此齐平，只有可缩放至超细间距的铜焊盘。这使得在进行三维堆叠封装时，可以实现更小的封装尺寸，在相同的封装体积内能够集成更多的芯片或者功能模块，进一步提高了集成度，符合电子设备不断小型化、多功能化的发展趋势。

（三）更低的功耗

与现有的堆叠和键合方法相比，混合键合技术可以降低功耗。这对于移动设备、物联网设备等对功耗要求严格的应用场景非常有利，能够延长设备的续航时间或者降低设备的散热要求，提高设备的可靠性和稳定性。

（四）更高的可靠性

混合键合技术能够实现焊盘直径≤1μm、无凸点的永久键合。这种无凸点的直接键合方式相比于传统的倒装焊等键合方式，减少了因凸点带来的潜在连接问题，如凸点的脱落、虚焊等，从而提高了键合的可靠性，进而提高整个三维堆叠封装结构的可靠性，保障设备的正常运行。

混合键合技术在三维堆叠封装中的应用案例

（一）AMD与台积电的合作

AMD是第一家推出使用铜混合键合芯片的供应商，它使用台积电的混合键合技术。这种技术为AMD的产品提供了更高的密度和带宽，有助于AMD在高性能计算、游戏等领域的芯片性能提升，满足不断增长的市场需求，并且推动了下一代类似3D的设备和封装的发展 。

（二）长江存储的Xtacking架构

长江存储的Xtacking架构中，CMOS晶圆和Array晶圆之间采用了Hybrid Bonding技术。这一架构下，Cu接触的间距已经缩放到1微米以下，几乎是对hybrid bonding工艺应用到炉火纯青的结果。这得益于长江存储技术和量产团队在武汉新芯期间从事3D堆叠图像传感器所积累下的工艺经验 。

（三）格芯的高性能计算应用

格芯推出适用于高性能计算应用的高密度3D堆叠测试芯片，该芯片采用格芯12nm Leading - Performance (12LP) FinFET工艺制造，运用Arm 3D网状互连技术，并且采用了晶圆与晶圆之间的混合键合技术。每平方毫米可连接多达100万个3D连接，拓展了12nm设计在未来的应用，满足数据中心、边缘计算和高端消费电子应用的需求 。

先进芯片封装清洗介绍

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·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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