好文推薦 | 混合鍵合（Hybrid Bonding）缺陷檢測難題有望解決，中國半導體行業加速發展

  ICC訊 本文將為大家重點分析混合鍵合工藝(Hybrid Bonding)的核心技術原理、產業化難點及當前全球研發進展，特別是其工藝復雜性(如納米級對準與表面拋光要求)、內部缺陷檢測(如銅鍵合狀態表征)及熱管理挑戰(如多層堆疊散熱優化)等關鍵問題，并對濱松新發布的TD Imaging技術如何突破現有檢測方法瓶頸進行解讀。通過解剖技術內核與產業痛點，揭示該方案對中國半導體在3D封裝領域實現自主突破的戰略意義。(快滑到文末，揭開濱松新品的神秘面紗)

  摩爾定律：半導體行業的“圣經”與挑戰

  自1965年問世以來，“每18 - 24個月，集成電路上的晶體管數量翻倍，性能提升一倍，而單位成本下降一半”的摩爾定律，宛如半導體行業的“圣經”，始終是推動該行業發展的核心動力。其精髓在于，通過晶體管數量的指數級增長，巧妙地實現了“性能提升”與“成本下降”這兩大目標，進而構建起“領先時間等同于領先性能和成本”的競爭邏輯。半導體行業仿佛是一臺造福人類的永動機：憑借技術的先進性獲取利潤，再將利潤反哺于技術革新，如此循環往復，并借助規模效應不斷放大財富效應。

  然而，摩爾定律并非如牛頓第一定律、愛因斯坦質能方程那般，屬于揭示自然規律的物理定律。它更像是在新技術萌芽階段，為了凝聚全行業的力量，共同投身技術研發和市場開拓而發出的一份商業化宣言。恰似那句古話，“走的人多了，便有了路”。

圖1 摩爾定律原稿

  摩爾定律曾推動半導體行業不斷前行，利用光刻技術持續縮小晶體管尺寸。然而，當晶體管尺寸逼近原子級別時，短溝道效應、漏電流和量子隧道效應等問題愈發嚴重，行業似乎正逼近物理極限。與此同時，晶體管數量的指數級增長，使得集成電路設計布線的難度呈指數級上升，工藝控制、芯片驗證和失效分析等環節都面臨巨大挑戰。此外，先進制程的流片成本、FAB廠設備成本以及人才成本等費用也不斷攀升，一時間，“摩爾定律將死”的聲音不絕于耳。

  半導體產業的技術革新與全球發展

  轉折出現在2005年，國際半導體技術路線圖在摩爾定律的基礎上，提出了以 More Moore 和 More than Moore 雙輪驅動的技術革新方向。其中，More Moore 代表著傳統摩爾定律的微縮派，繼續追求晶體管尺寸的極致縮小;而 More than Moore 則是在現有晶體管尺寸的基礎上，探索功能的多樣化，為技術發展開辟了新的路徑。

圖2 摩爾定量與超越摩爾 (圖片來源：ITRS)

  截至2025年，全球半導體產業的技術發展已由四大動力共同推動：制程微縮化(More Moore)、晶圓擴大化(Wafer size increases)、功能多樣化(More than Moore)以及材料技術融合化(Beyond CMOS)。這些力量相互交織，為半導體行業的持續發展注入了新的活力。

圖3 半導體行業的驅動力量

  中國半導體產業的發展與破局

  當市場尚未充分開發且交易自由開放時，誰能率先一步，誰便能在性能與成本上占據優勢，進而斬獲絕大部分利潤。這股強大的動力，推動著全球各國及企業投身于長達數十年的半導體行業“軍備競賽”。然而，中國大陸的半導體產業卻在瓦森納協定等外部封鎖下，面臨著重重阻礙，傳統的More Moore路線舉步維艱。加入WTO后，中國承接了美國眼中處于微笑曲線低附加值端的代工與封測業務，很長一段時間里，中國都以勞動力換市場的策略艱難前行。

  隨著核高基、中國制造2025、健康中國2030等一系列重磅政策的陸續出臺，中國科技行業猶如被按下“快進鍵”，駛入了發展的快車道，以市場換技術的戰略也初見成效，曙光初現。然而，貿易戰、芯片法案、關稅戰接踵而來，中國政府在一次次沖擊中徹底清醒，曾經寄望于沿著歐美日韓的先進制程老路實現技術追趕、達成公平競爭的幻想，瞬間破滅。中國半導體產業必須與世界接軌，更要走出一條獨立自主、獨具中國特色的發展道路。這一局面似曾相識，讓人不禁想起前中科院微電子所所長葉甜春先生在IC制造年會上的倡議——異質異構鍵合，這無疑是破解中國半導體困境的“金鑰匙”，堪稱最強陽謀。它一方面為國內封測行業釋放了內卷壓力，另一方面賦予了國人“小米加步槍打飛機”的堅定信心。自那以后，“Hybrid Bonding”在行業內頻繁被提及。盡管近期中國半導體行業似乎有好消息傳來，但歷史經驗告誡我們，中國半導體產業必須堅持多條腿走路，堅定不移地走中國特色半導體產業發展道路。

圖4 半導體技術發展路徑圖(圖片來源：邏輯芯片)

  什么是混合鍵合工藝(Hybrid Bonding)?

  在電子信息時代，結構決定功能是第一性原理，電子作為信息的載體，承載著這個時代的核心使命(注：在光子信息時代和量子信息時代，信息的載體將發生變化)。當我們需要構建一個系統以實現特定的功能和性能時，必須明確各個子系統或子模塊的具體功能和性能。通過遞歸求解，最終的核心任務便是設計和制造標準化的工藝單元庫，并在此基礎上進行積木式的創新。

  在封裝技術中，2D和2.5D封裝主要在平面上進行擴展，而3D封裝則是在縱向維度上進行拓展。3D封裝的結構更加緊湊，信號傳遞速度更快，這在圖5和表1中得到了清晰的展示。

  Hybrid Bonding本質上屬于3D封裝，其目的是把target 1和target 2進行貼合，貼合之后保證良好的電氣性能和機械性能，這里target 1和target 2可以是chip、die、wafer。

圖5 封裝技術演變過程 (圖片來源：Besi)

  表1 2D、2.5D、3D封裝比較

  混合鍵工藝痛點

  混合鍵合工藝最初主要用于MEMS工藝，憑借其獨特的優勢，逐漸被應用于IC領域。它能夠借助成熟的IC制程，打造出性能媲美先進制程的產品，展現出巨大的應用潛力。然而，隨著技術的深入發展，混合鍵合工藝也面臨著諸多巨大的困難和挑戰，具體可見表2。

  以Cu-Cu鍵合的3D chip stacking工藝為例，該工藝要求connection pitch不得超過3微米。這意味著對準精度必須達到亞微米級別，這對設備的精度和穩定性提出了極高的要求。隨著堆疊層數的不斷增加，對內部Cu-Cu鍵合狀態的檢測需求以及對內部缺陷的檢測訴求也日益增多，尤其是當芯片內部涉及多metal layer時，檢測難度呈指數級上升。這一問題在圖7至圖10中得到了直觀的展示。

表2 混合鍵合工藝的痛點

  混合鍵合工藝的這些痛點，不僅考驗著工程師的技術水平，也對整個半導體行業的檢測和驗證技術提出了新的挑戰。如何在保證高精度對準的同時，高效地檢測和修復內部缺陷，已成為混合鍵合技術邁向大規模應用的關鍵瓶頸。

  圖6 2.5D與不同3D封裝技術要求

  圖7 圖像傳感器的Hybrid Bonding結構圖、截面圖(左、中)和工藝制造流程圖(右)

圖8 SeDRAM制造流程

圖9 SeDRAM 3D封裝的TEM截面圖，來源: A True Process-Heterogeneous Stacked Embedded DRAM Structure Based on Wafer-Level Hybrid Bonding

圖10 Hybrid Bonding工藝中微小的缺陷足以造成器件失效

常規檢測方案

  解決思路

  紅外成像技術雖然可以在Cu-Cu bonding前分別對target 1和target 2進行檢測，但bonding后的檢測卻面臨諸多挑戰。如圖12所示，以DRAM為例，混合鍵合后難以檢測，主要是因為其內部存在多個metal layer，這些復雜的結構給檢測帶來了極大的困難。

圖12 HBM和GPU封裝圖

  一種較為直觀的檢測方法是靜態-熱成像檢測，即利用中紅外熱成像技術來判斷缺陷。然而，當產品處于非工作狀態時，熱成像只能捕捉到穩態結果，無法通過差分、傅里葉變換或小波變換等手段獲取缺陷的熱力學信息。因此，靜態中紅外檢測在實際應用中難以達到預期效果，無法有效實現檢測目的。

  工作電壓下的熱成像檢測，思路是利用工作狀態下的熱力學成像圖來判斷缺陷的有無。隨著工作時間的增加，Hybrid Bonding工藝后target 1和target 2的結溫將逐漸增加，然而缺陷或失效模式可能使得結溫增加的速度發生變化，通過差分、鎖相、或者傅里葉變換、小波變換等有望提取到缺陷信息。實際上是將電性失效分析的理念從FA Lab搬到Inline test。理論上這種EFA方式可以解決Hybrid Bonding后的缺陷定位，并助力良率改善，但是半導體行業熱成像分析主要是中紅外波長，這就導致了光學分辨率差，只能在數微米量級，這對于有較高分辨率檢測要求的Hybrid Bonding工藝而言，意義大打折扣。

  那么，是否存在更高分辨率的缺陷定位技術用于混合鍵合呢?答案是肯定的。

  在炎熱的夏天，當我們坐在空調大巴里觀察窗外的近景時，常常會看到一種熱浪現象。這種現象本質上是由于介質的折射率隨溫度變化而產生的。在半導體領域，如果能夠通過可見光方式表征由缺陷導致的結溫變化，那么就可以實現高分辨率的熱分析，這也是thermo-reflectance imaging的核心所在。

  作為全球領先的電性失效分析企業，濱松深耕行業多年。近年來，濱松與全球領先的半導體企業合作，從工藝痛點出發，基于熱反射成像技術推出了TD Imaging功能，并在全球同步發售。濱松將熱反射成像技術、鎖相光學技術、單光子掃描成像技術融合成TD Imaging技術。我們預計，這些技術及其拓展性有望推動國內半導體制程工藝和失效分析技術的發展。

  新品預熱：

  濱松光子全新推出的TD Imaging技術，是基于熱反射成像的先進檢測系統，通過激光逐點掃描器件表面并實時探測反射光信號，精準捕捉因溫度變化引起的反射率變化，從而實現器件失效熱點的精確定位。該技術具有兩大核心優勢：其一，超高分辨率——得益于更短波長，其分辨率顯著超越傳統熱成像(LIT)技術，可精準分辨亞微米尺度的熱信號;其二，卓越信噪比——針對金屬材料高反射率、低發射率的特性進行優化，大幅提升信號質量，確保檢測結果更精準可靠。TD Imaging尤其適用于含金屬結構的先進芯片(如先進封裝、3D IC)及復雜器件(如BS-PDN)的失效分析，為半導體、微電子及高端制造領域提供突破性檢測解決方案。

  關于 TD Imaging 新品的更多詳細信息，將于 5 月 23 日星期五之前在本公眾號發布。更多驚喜，即將揭曉，敬請期待!

  如果您有任何疑問，可以任意添加下面兩位工程師的微信，工程師在線為您解答。

  參考文獻

  1.3D IC Integration and Packaging (Electronics) 2.Direct Copper Interconnection for Advanced Semiconductor 3.Besi Hybrid Bonding Presentation 4.Hybrid Bonding for the Next Generation of High-Performance Devices 5.Advances in Interconnect and Assembly Technologies for Next Generation Electronic Systems 6.A Review on Hybrid Bonding Interconnection and Its Characterization