混合键合，接连刷新纪录

随着晶体管尺寸逼近原子级物理极限，算力需求却仍在持续攀升。将芯片向三维堆叠发展是行业未来方向：多层芯片垂直堆叠，可在同等封装面积下承载更大算力，同时节约时延与功耗。名为混合键合（Hybrid Bonding）的3D芯片制造技术，正是实现这一目标的核心路线。上月，两支研究团队借助该技术，实现每毫米互连数量较以往大幅提升，接连创下全新技术纪录。

两项成果于佛罗里达州奥兰多举办的IEEE电子元件与技术会议（ECTC）上对外发布，二者均大幅缩小了键合间距——也就是混合键合芯片之间铜互连点的间距。键合间距越小，单一封装内可集成的互连通道数量越多，芯片整体运算效率也越高。

法国微电子实验室CEA-Leti研发工程师Melissa Najem表示：“当我们实现更小间距的混合键合工艺时，能直接降低芯片功耗、实现更高密度互连，还能有效提升芯片间的数据传输效率。对于AI、高性能计算、高带宽内存等下一代半导体器件爆发式增长的需求而言，这项技术至关重要。”

混合键合工艺会在两片及以上芯片表面分别制备铜焊盘与绝缘介质层，将芯片精准压合后再进行加温处理；受热后铜焊盘发生融合，形成可靠电气通路。整套工艺要求焊盘对位精度控制在1微米以内，否则无法完成有效键合。

Melissa Najem表示，“大量应用场景正等待芯片到晶圆混合键合技术实现突破。”

本次ECTC公布的两项纪录，采用了两种截然不同的混合键合技术路线。比利时半导体研究中心Imec发布晶圆对晶圆（W2W）混合键合全新纪录。晶圆对晶圆工艺适用于存储、逻辑芯片堆叠，但对晶圆片间一致性要求极高，应用灵活性受限。Imec联合芯片制造设备厂商EVGroup，将晶圆对晶圆键合间距从去年公布的250纳米缩小至200纳米。

CEA-Leti的突破则基于芯片到晶圆（D2W）路线：把切割完成的独立裸片，逐一键合至整片晶圆上（可类比往披萨上摆放香肠片）。该方案允许厂商自由搭配不同尺寸、不同功能的堆叠裸片。研究团队实现1微米芯片到晶圆键合间距——虽为晶圆对晶圆200纳米纪录的5倍，但相较此前公开的2微米纪录，间距直接缩减一半。1微米间距意味着每平方毫米可布设百万个互连点，互连密度达到过去的四倍。

晶圆对晶圆与芯片到晶圆混合键合技术对比

晶圆对晶圆混合键合工艺流程相对简洁，互连对位精度要求低至50纳米；但硅晶圆本身具备高度均一性，一定程度降低了高精度对位的工艺难度。制约晶圆对晶圆实现更小键合间距的核心瓶颈，是互连焊盘表面的极致平坦化处理。

Imec 3D系统集成项目主管Zsolt Tokei介绍，为达成200纳米间距的纪录，研究团队优化了化学机械抛光（CMP）工艺，并同步升级晶圆对位技术与铜焊盘设计方案。

应用材料异构集成工程师Srinidhi Ramamoorthy并未参与上述两项技术突破，她表示：部分研究机构已实现200纳米以下晶圆对晶圆键合间距，但相关成果并未配套完整的电性测试与可靠性验证数据。缺少两类关键数据支撑的工艺指标，并不能算作真正可落地的成熟键合间距标准。

芯片到晶圆路线实现1微米纪录，核心难点不在于表面平坦度，而在于对位精度：好比反复将香肠精准摆放在披萨上的指定微观点位。Najem称，CEA-Leti通过精细调校对位工艺，并同步优化CMP抛光流程，最终达成该项纪录。

CEA-Leti本次键合至晶圆上的裸片为专用测试芯片，用于采集、评估互连通道电性参数。Najem介绍，该测试芯片覆盖多档键合间距测试；间距大于1微米时，电性良率约90%，而1微米间距下电性良率仅22%。

Najem表示，提升工艺良率是下一阶段核心研发目标：“高性能器件固然重要，但裸片之间高效互连的落地可行性，同样是研发的核心考量。”

混合键合技术的重要意义

受美国出口管制限制，华为无法获取先进芯片制造设备，因此将3D芯片堆叠作为持续提升晶体管密度的核心路径。上月，华为表示下一代麒麟处理器将采用1.5微米间距混合键合工艺。该成果有望大幅缩小华为与全球头部芯片厂商的技术差距，但外界尚未明确华为采用的具体工艺方案。

业内专家不愿随意揣测华为实现该键合间距的技术路径，但并未否定其成果的真实性。Imec的Tokei表示：“实现互连的技术路线并不唯一，行业不存在标准化的单一解决方案。”

全球半导体产业下一阶段发展方向十分清晰：将实验室阶段的工艺纪录落地量产，并持续刷新技术指标。Yole集团资深半导体封装技术与市场分析师Gabriela Pereira指出，当前量产级工艺水平为：芯片到晶圆键合间距6–9微米，晶圆对晶圆键合间距1–2微米。对位、表面平坦化等实验室攻关难点，同样制约规模化量产推进——量产工艺必须兼顾加工速度与稳定良率。

Pereira补充，长期来看行业资源或将更多倾斜芯片到晶圆技术，因其应用场景灵活性更强；Najem等一线研发人员也持相同观点。Najem表示，“大量应用场景正等待芯片到晶圆混合键合技术实现突破。”