Will hybrid bonds replace TCB?

在摩尔定律事实上失效了以后，过往在单芯片上通过改善工艺制程来推高芯片性能的方式逐渐成为了过去式。取而代之的是各种先进封装技术，用各种 “拼接” 的方式去推高芯片的性能。这种趋势一个典型的范例就是 GPU 芯片巨头英伟达在最新的 B200 上的实践。

作为单芯片最忠实的支持者，英伟达过去多年里一直都是通过工艺和架构改善来提高芯片的性能，然而在 B100 上，英伟达也事实上采用了行业主推的 Chiplet 设计方式，用自有的 NV-HBI（Nvidia High Bandwidth Interface）把两个突破了 reticle 极限的两个芯片连接起来，按照 technews 所说，在这背后倚仗的是台积电的 CoWoS 先进封装工艺。

事实上，从英伟达在 GPU 中引进 HBM 以及 LLM 的火热开始，先进封装就在高性能计算中名声大噪。如去年因为台积电 COWOS 先进封装制程产能短缺所引致的 H100 供给不足就引发了行业广泛讨论。对芯片性能需求的不断攀升也推动了先进封装技术的持续升级，也让大家对先进封装发展路线有了更多思考：

例如 TCB(Thermocompression bonding) 和混合键合（hybrid bonding）会如何发展？

TCB，尚能饭否？

在详谈 TCB 之前，我们先对先进封装进行一个定义。其实关于什么是先进封装，不同行业有不同的定义，Semianalysis 的分析师 Dylan Patel 就把所有凸块尺寸（bump size）小于 100 微米的封装称为 “先进封装”。

他在文章中进一步指出，最常见的先进封装类型称为扇出型封装（Fan-out），在苹果公司将其应用到其 A 系列手机芯片后广为大众熟知。与传统倒装芯片封装相比，苹果芯片封装的凸块密度（bump density）大约高出 8 倍。而从构造上，除了常规的封装，现在先进封装有 2.5D 和 3D 封装。

所谓 2.5D / 3D 封装是在同一封装内包含多个 IC 的两种封装方法。在 2.5D 结构中，两个或多个有源半导体芯片并排放置在硅中介层上，以实现极高的芯片间互连密度。在 3D 结构中，有源芯片通过芯片堆叠进行集成，以实现最短的互连和最小的封装尺寸。

目前，2.5D 是更多芯片厂商的首选。例如英伟达的 H100 GPU 采用的就是 2.5D 封装中最常见和产量最高的 TSMC CoWoS（chip on wafer on substrate）。在这个封装方法中，台积电将把有源芯片封装在只有互连和微凸块的晶圆顶部，然后使用传统方法将这堆芯片封装到基板上。近年来大火的 HBM 则属于 2.5D 封装的另一个典型范例，在其生产过程中也使用了本章节我们讨论的技术重点——TCB。

作为引线键合（Wire Bonding）的一种主流方式，TCB 是由贝尔实验室的三位科学家 O. L. Anderson、H. Christensen 和 P. Andreatch 在 1955-58 年期间开发完成的。

相关资料介绍，热压键合主要用于创建原子级金属键合。它利用力和热量来促进原子在晶格之间迁移，从而形成清洁、高导电性和坚固的键合。通常，TCB 被用于垂直集成器件的 CMOS 工艺、金引线和表面之间固态键合的顺应键合（compliant bonding）、用于将芯片凸块键合到基板的倒装芯片应用以及用于连接微型组件的热压键合。

因为其应用的领先型，在发布了以后，这类封装的需求也很大。这个技术也在过去几十年里也一直在封装市场 “呼风唤雨”，即使在文章开头谈到的 HBM，无论是三星、SKHynix 和美光供应的产品，都也使用了 TCB 技术。

作为一种创新型的 DRAM，HBM 在过去几年大放异彩。就连英伟达 CEO 黄仁勋在日前举办的 GTC 大会上谈到 HBM 的时候，也直说这是一个技术奇迹。

从技术层面上看，HBM 的为了将内存带宽提高到传统 DRAM 之上的一种方式。它通过使用更宽的内存总线来实现这一点。这些宽总线会产生与 IO 计数相关的问题，但 HBM 是从头开始设计的，可以在同一封装内共存，就这颠覆了 IO 问题，同时还允许更紧密的集成。

在 Semianalysis 分析师 Dylan Patel 看来，之所以当前的 HBM 还在用 TCB，是因为这项技术解决了标准倒装芯片（standard flip chip）的几个主要问题。例如热量从芯片顶部施加，因此只有芯片和 C4 焊料连接会升温，可以最大限度地减少任何基板翘曲问题。同时，这种键合方式确保均匀粘合，没有间隙变化或倾斜；最后，这种粘合几乎没有空隙，也没有污染。

“在相同的 IO 间距下，TCB 可实现更好的电气性能。TCB 还允许 IO 间距缩小到更小的尺寸。TCB 还可以封装更薄的 dies 和封装。后者正是是 HBM 使用 TCB 的原因。与标准倒装芯片工艺流程相比，TCB 似乎是一种更好的技术，” Dylan Patel 接着说。

作为最早打造 TCB 解决方案的厂商之一，Kulicke & Soffa（库力索法）执行副总裁兼总经理张赞彬先生也告诉半导体行业观察:“在未来很长的一段时间以内，TCB 也将在 AI、HPC 和大芯片中发挥非常重要的作用，关键的原因在于其成本优势。”“现在大部分芯片的 Pitch 都是 50 微米和 30 微米，最窄的为 25 微米，我们认为 TCB 可以做到 10 个微米以下，所以这条路还很长。” 张赞彬接着说。

以 HBM 为例，张赞彬表示，目前 HBM 有两种实现方法：一个是用传统的 flip chip 去封装。另外一个是用 TCB。其中前一种会一直存在，但如果需要温度控制，就用 TCB。同时，因为 HBM 堆叠的 die 需要非常薄，所以直到现在最先进的 12 堆栈 HBM，依然是使用了 TCB 技术。“从目前看来，下一代的 16 堆栈 HBM，依然会使用 TCB 工艺。” 张赞彬告诉笔者。

Dylan Patel 在其文章中披露，Intel 的大部分封装技术也使用 TCB，并成为了 TCB 的坚定支持者，英特尔在许多封装应用中使用 TCB。又因为 TCB 是封装极薄芯片的最佳技术，因此 TCB 也在使用 OSAT 和 IDM 封装的旗舰设备中的手机应用中进行了试验。三星、高通/Amkor 也已在一些与层叠封装 (PoP) DRAM 相关的应用中使用了 TCB，OSAT 也开始订购越来越多的 TCB 工具。

但正如 Dylan Patel 所说，厂商正在转向更神奇混合键合技术。

混合键合，未来可期

根据 Dylan Patel 的观点，封装行业最后一次重大范式转变是从引线键合到倒装芯片。从那时起，更先进的封装形式（例如晶圆级扇出和 TCB）一直是相同核心原理的渐进式改进。这些封装方法都使用某种带焊料的凸块作为硅与封装或板之间的互连。而这些技术可以一直缩小到约 20 微米的间距。

“但是，为了进一步扩展，我们需要另一种范式转变：采用混合键合的无凸块互连的混合键合，其尺寸超出了 10 微米互连间距，路线图为 100 纳米范围，并且它不使用任何中介物，例如具有更高电阻的焊料。”

所谓混合键合，是指在一个键合步骤中同时键合电介质（dielectric）和金属键合焊盘（metal bond pads）。具体而言，混合键合有两种类型：一种是晶圆到晶圆（wafer-to-wafer：W2W）键合，这种方式更加成熟，但限制了相同芯片尺寸的组合；另一种是芯片到晶圆（die-to-wafer：D2W）键合，它涉及更多的工艺步骤以及将芯片单独放置在载体晶圆或玻璃上（集体芯片到晶圆方法）。

在这两种情况下，通过 BEOL 金属化处理的两片晶圆都会经历键合电介质的 CVD、阻挡层的镶嵌沉积，然后铜填充、电介质的平坦化（带有轻微的铜凹进）、等离子体激活以准备键合、对准、室温键合，并退火以形成铜焊盘的电连接。然后将硅晶圆背面研磨至最终厚度（通常<100nm），之后切割，然后进行最终组装和封装。

与微凸块（microbumps）相比，过渡到混合键合的原因相当简单。那就是 3D 内存堆栈和异构集成（超越摩尔时代的两个参与者）需要极高的互连密度，如上所述，混合键合可以满足这一需求；与本身支持高密度互连方案的微凸块相比，混合键合可提供更小尺寸的 I/O 端子和减小间距的互连。每个芯片之间的间隔距离取决于微凸块的高度，但在混合键合中该距离几乎为零。

因此，混合键合互连方案可以显著降低整体封装厚度，在多芯片堆叠封装中甚至可能高达数百微米。为此，自十多年前在 CMOS 图像传感器中首次亮相，混合键合逐渐走向了 3D NAND，甚至连 DRAM 和 HBM，也对混合键合产生了兴趣。今年二月更是有消息传出，英特尔下一代 Xeon“Clearwater Forest” CPU 采用一个名为 “Foveros Direct” 的混合键合的 3D 堆叠技术。

有 TCB 支持者坦言，在凸块间距达到 25 微米后，还会继续使用已安装的 TCB 工具。张赞彬也认为，Hybrid Bonding 只有在很高端应用才会用到。

“Hybrid Bonding 是针对微纳米这种高端工艺的，这种技术不是每一种产品可以应用，因为它的价格和成本都很高，所以我觉得几种高端产品会有这种应用，大部分的芯片还是会用到传统的方法。” 张赞彬说。他指出，和 TCB 是一个后段制程不一样，混合键合某种程度上是一个前道工艺，所以这带来的挑战也是显而易见的。

“混合键合对环境要求非常高，要达到 class 1 clean room（非常的清洁），这是为什么现在目前投资 Hybrid Bonding 的大部分客户都是前端的客户，因为他们有前端的制程、设备和环境，所以可以扩大 Hybrid Bonding。但是一个传统的封装厂如果想切入这个领域，则要做一个大投资，要做非常清洁的 Clean room，这样的话门槛就提高了很多。这也是为什么打线机今天还那么受欢迎，因为在封装这方面是最实际、最便宜的方法。” 张赞彬解析说。

最近的一则新闻，也让混合键合遭受了打击。

在去年 12 月举办的 IEDM 2023 上，SK 海力士宣布，其已确保 HBM 制造中使用的混合键合工艺的可靠性。消息表示，HBM 芯片的标准厚度为 720 µm。预计将于 2026 年左右量产的第 6 代 HBM（HBM4）需要垂直堆叠 16 个 DRAM，这对当前的封装技术满足客户满意度来说是一个挑战。因此，Hybrid Bonding 工艺在下一代 HBM 中的应用被业界认为是必然的。

但是，早前有消息透露，国际半导体标准组织（JEDEC）的主要参与者近日同意将 HBM4 产品的标准定为 775 微米，那就意味着 HBM 开发者使用现有的键合技术就可以充分实现 16 层 DRAM 堆叠 HBM4。

不过，这应该不会阻挡厂商们投入这个赛道。据了解，包括台积电、英特尔、三星、SK 海力士、美光、索尼、豪威科技、铠侠、西部数据、Besi、芝浦电子、东京电子、应用材料、EV Group、SUSS Microtec、SET 和博世等厂商都对混合键合产生了兴趣。

甚至连 TCB 解决方案的主要供应商 Kulicke & Soffa 加入了混合键合阵营，对这个技术进行了预研，并认为这个技术在未来某个时刻迎来新的机会。

设备厂商，见招拆招

虽然有波折，但先进封装前进的道路是不可逆转的。

行业咨询机构 Yole 在去年年底发布的报告中表示，预计先进封装市场在 2023 年将下降 1.4%，但 2023 年 Q3，先进封装（AP）营收较上季度大幅增长 23.7%，总计达到 110 亿美元。

Yole 进一步指出，在未来几年，先进封装收入预计将以 8.6% 的复合年增长率增长，从 2022 年的 429 亿美元增长到 2028 年的 704 亿美元。就收入而言，倒装芯片 BGA、倒装芯片 CSP 和 2.5D/3D 是主导封装平台，其中 2.5D/3D 技术显示出最高的增长率，预计将从 2022 年的 94 亿美元增长到 2028 年的 225 亿美元，复合年增长率为 15.6%。

作为先进封装的主要实施者，设备厂商也正在见招拆招。

首先看 Kulicke & Soffa，如上所述，他们现在这个阶段应该是非常看好 TCB，在去年 8 月，他们曾经发布新闻稿表示，将扩大与 UCLA CHIPS 的合作，开发超细间距微凸块互连解决方案。按照他们在当时的新闻稿所说，不久之后，30μm 微凸块间距的热压接合 (TCB) 变得可行。通过利用甲酸处理（By leveraging formic acid treatment），K&S 在 TCB 中展示了 10μm 间距的能力。双方的合作则旨在进一步开发可制造的铜对铜解决方案，将其间缩小至 5μm 以下。

ASMPT 首席执行官 Robin Ng 在接受媒体采访的时候则表示，他将于今年下半年开始向客户提供混合键合机。Ng 表示，当混合键合芯片系统封装的大规模生产真正起飞时，ASMPT 已准备好交付机器。他进一步指出，ASMPT 将大幅增加先进封装的研发预算，包括热压键合、光子学和混合键合。

而作为混合键合机市场的激进玩家，Besi 的首席执行官 Richard Blickman 在介绍年度业绩时透露，截止 2023 年，除了三名现有客户外，公司还为这些混合键合机器赢得了六名新客户，Besi 也有 40 多套混合键合系统现已投放市场。

相关资料显示，英特尔和台积电是 Besi 的主要客户，但他们对内存市场寄予厚望。例如 HBM，就是 Besi 最看好的方向，但目前他们只有美光一个客户。据 Richard Blickma 预计，内存市场不会为第一代 HBM4 部署混合键合，第二代的可能性更大。

另一家设备供应商 EV Group 则为 NAND 市场提供设备，以实现晶圆对晶圆混合键合工艺。

写在最后

在分析人士看来，未来许多封装技术将并列使用。而且混合键合不会取代 TCB，而是会互相补充。

目前，苹果、AMD、英伟达和英特尔等系统开发商正在研究这两者，代工厂以及逻辑和存储器制造商将采用这两种互连选项的比例还有待观察。不同客户的情况也可能有很大差异。例如，AMD 已经在其微处理器中使用混合键合，而 Nvidia 则选择了 TCB。这两种技术仍在开发中。

如果间距降至 25 微米以下，混合键合无疑是一个重要的选择，但它更昂贵。

总之，技术总是在进步，我们总能看到解决的方法。

本文作者：李寿鹏，来源：半导体行业观察，原文标题：《混合键合，会取代 TCB 吗？》