芯片“贴贴”的精密工艺：Die-to-Wafer混合键合流程




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随着AI芯片、高带宽内存（HBM）对算力和功耗的要求越来越高，传统的芯片连接方式逐渐满足不了需求。Die-to-Wafer（D2W，芯片到晶圆）混合键合被视为下一代先进封装的关键路径之一。简单说，这项技术就是把一颗颗已经切割好的芯片（Die），直接贴到另一片完整的晶圆（Wafer）上，实现芯片间的直接互连。


传统方式靠“凸点”焊接，好比用胶水把两块木板粘起来；混合键合则是让铜和铜、氧化物和氧化物直接“长”到一起，无需凸点、无需焊料。这样一来，互连密度更高、信号传得更快、功耗也更低。


目前混合键合分两种：晶圆对晶圆（W2W）和芯片对晶圆（D2W）。W2W适合良率高、尺寸一致的芯片批量生产，比如3D NAND闪存； 而D2W最大的好处是可以先挑出“已知良好芯片”（Known-Good Die）再贴，避免把坏芯片也浪费掉，对异构集成尤其友好。当然，D2W流程更复杂，对准精度要求也更高。


那么，D2W混合键合到底是怎么一步步实现的？ASMPT的这张流程图告诉你：




第一步： 芯片准备与切割——从晶圆上挑出合格的芯片，切割分离，同时保护好键合表面，不能有划伤或污染。


第二步： 表面活化——用等离子体处理等技术清洗并活化芯片和晶圆的表面，让它们“愿意”粘在一起。


第三步： 水合与时间控制——用去离子水处理表面，营造亲水性环境。这一步对时间很敏感，暴露太久或操作不当，表面性能就会退化，所以必须严格控制。


第四步： 超高精度对准——把芯片放到晶圆上指定的位置，靠识别对准标记实现纳米级的精准 placement。D2W的对准精度要求极高，通常要达到亚微米甚至纳米级。


第五步： 室温接触键合——在室温下让芯片和晶圆初步贴合，介电层先发生键合，键合波从接触点向外传播。


第六步： 退火——把键合好的结构加热到200°C到400°C。加热后铜的体积膨胀，两边的铜焊盘互相挤压、扩散，最终形成牢固的电气连接。


D2W的三个关键因素是平整度（键合面要极度平坦）、清洁度（颗粒和污染要严格控制）和对准精度（纳米级的 overlay 精度），是决定高良率键合的基础。


从市场来看，混合键合正处于爆发前夜。Yole数据显示，混合键合设备市场2024年增速达67%，预计到2030年市场规模将达到约100亿元人民币。三星已计划引进数十台D2W混合键合机用于下一代HBM和逻辑芯片制造。这项技术正在从实验室走向大规模量产，成为后摩尔时代芯片继续“卷”下去的重要突破点。


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