中國粉體網(wǎng)訊  在后摩爾時(shí)代，隨著芯片制程逼近3nm以下物理極限，依賴制程微縮提升性能的邊際效益急劇下降。三維集成技術(shù)通過將芯片從二維平面擴(kuò)展為立體堆疊(“平房”向“高樓大廈”演進(jìn))，成為延續(xù)性能增長(zhǎng)的核心方向。在三維集成技術(shù)中，鍵合工藝是構(gòu)建“芯片高樓”的直接核心，也是玻璃基封裝技術(shù)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，鍵合技術(shù)需同時(shí)滿足物理連接強(qiáng)度、電學(xué)可靠性及異質(zhì)材料熱匹配等嚴(yán)苛要求。

目前玻璃基鍵合技術(shù)已形成多技術(shù)路線并行發(fā)展的格局，熱壓鍵合、陽極鍵合與超高真空表面活化室溫鍵合是其中的主流方向，各技術(shù)在原理、性能與應(yīng)用場(chǎng)景上各有特點(diǎn)，也面臨不同挑戰(zhàn)。

熱壓鍵合

熱壓擴(kuò)散鍵合憑借熱物理耦合作用實(shí)現(xiàn)界面原子級(jí)互擴(kuò)散，成為玻璃基三維封裝的成熟技術(shù)，廣泛應(yīng)用于MEMS器件、光電器件與微流控芯片封裝。其工藝核心在于高溫與壓力的協(xié)同作用，將玻璃基板加熱至400°C-700°C，同時(shí)施加壓力，使玻璃表面化學(xué)鍵重排，羥基（Si-OH）脫水后形成堅(jiān)固的Si-O-Si鍵，實(shí)現(xiàn)玻璃-玻璃或玻璃-硅的緊密粘接。

不過，熱壓鍵合面臨兩大核心問題：一是不同材料熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)的熱應(yīng)力，易導(dǎo)致封裝器件失效；二是高溫高壓條件對(duì)敏感組件的損傷風(fēng)險(xiǎn)。為解決這些問題，業(yè)界開發(fā)了玻璃熔塊粘合與聚合物鍵合兩種改進(jìn)方案。玻璃熔塊粘合以低熔點(diǎn)熔塊為中間層，在較低溫度下軟化實(shí)現(xiàn)粘接，兼顧鍵合強(qiáng)度與氣密性；聚合物鍵合則利用BCB、PI、PMMA等材料的表面適應(yīng)性，通過熱壓使聚合物分子與基底形成原子級(jí)作用，范德華力可支撐超過40MPa的機(jī)械強(qiáng)度。

BCB介質(zhì)與銅互連工藝 來源：Hsiao. Cu/BCB hybrid bonding with TSV for 3D integration by using fly cutting technology

陽極鍵合

陽極鍵合（又稱電場(chǎng)輔助鍵合）由Wallis與Pomerantz于1969年提出，通過熱場(chǎng)與電場(chǎng)協(xié)同驅(qū)動(dòng)玻璃中堿金屬離子遷移，實(shí)現(xiàn)玻璃與金屬、半導(dǎo)體的原子級(jí)鍵合。典型工藝中，玻璃-硅體系在300-500℃下施加500-1500V直流電場(chǎng)，鈉離子（Na+）向陰極遷移形成10-50μm鈉耗盡層，產(chǎn)生超過10MPa的靜電吸引力，同時(shí)氧陰離子擴(kuò)散至硅表面，生成2-5nm非晶態(tài)氧化硅過渡層，最終通過Si-O-Si共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度結(jié)合。該技術(shù)可完成玻璃與硅、碳化硅、金屬的異質(zhì)鍵合，但無法直接實(shí)現(xiàn)玻璃-玻璃鍵合，需借助中間層突破限制。Cheng等以SiC為共陽極實(shí)現(xiàn)玻璃-SiC-玻璃鍵合，獲得約12.8MPa的最大抗拉強(qiáng)度；Koebel等人開發(fā)的活化液體錫焊料陽極鍵合（ALTSAB）工藝，通過向錫焊料中添加鋁，顯著提升了鍵合強(qiáng)度。

活化液體錫焊料陽極鍵合工藝 來源：Koebel.Optimized solder alloy for glass-to-metal joints by simultaneous soldering and anodic bonding

實(shí)際應(yīng)用中，陽極鍵合面臨三重挑戰(zhàn)：一是金屬離子遷移形成的枝晶結(jié)構(gòu)會(huì)引發(fā)高頻下的寄生電容與介電性能劣化；二是表面粗糙度導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，易誘發(fā)微放電與界面分層；三是高溫（>350℃）與高壓電場(chǎng)與CMOS工藝不兼容，可能損傷晶體管柵氧化層。盡管如此，其高氣密性與工藝簡(jiǎn)捷性使其在MEMS陀螺儀、硅-玻璃電容壓力傳感器及真空微腔封裝中仍占據(jù)不可替代的地位，需通過精確調(diào)控電壓與溫度平衡性能與風(fēng)險(xiǎn)。

超高真空表面活化室溫鍵合

為消除傳統(tǒng)熱鍵合的熱應(yīng)力問題，超高真空表面活化室溫鍵合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)是在超高真空環(huán)境下，以高能離子束轟擊鍵合表面，剝離污染物、刻蝕氧化層并誘導(dǎo)表層原子化學(xué)態(tài)重構(gòu)，暴露高活性亞穩(wěn)態(tài)原子層，室溫下物理接觸即可形成高強(qiáng)度化學(xué)鍵合，有效避免熱應(yīng)力引發(fā)的界面失穩(wěn)。

表面活化鍵合機(jī)理 來源：《表面活化室溫鍵合技術(shù)研究進(jìn)展》（張洪澤等）

不過，該技術(shù)對(duì)SiO2表面活化效果不佳，離子轟擊難以激活SiO2表面。針對(duì)這一缺陷，業(yè)界提出引入納米過渡層的解決方案：通過物理氣相沉積構(gòu)建納米級(jí)中間層，將基板間鍵合轉(zhuǎn)化為過渡層間的冶金結(jié)合。KONDOU研究組的創(chuàng)新工藝極具代表性，其在超高真空環(huán)境下原位濺射沉積納米Si(Fe)復(fù)合層，同步完成過渡層沉積與表面活化，成功實(shí)現(xiàn)SiO2-SiO2異質(zhì)界面的室溫鍵合，優(yōu)化后界面強(qiáng)度與單晶硅本體強(qiáng)度相當(dāng)，為SiO2基材料封裝提供了可行路徑。

綜上，玻璃基鍵合技術(shù)各路線均在不斷突破性能瓶頸，熱壓鍵合向低溫化、低應(yīng)力方向改進(jìn)，陽極鍵合聚焦工藝兼容性優(yōu)化，表面活化室溫鍵合則持續(xù)拓展適用材料范圍。未來隨著三維封裝對(duì)集成密度與可靠性要求的提升，各技術(shù)的融合與創(chuàng)新將成為重要發(fā)展方向，推動(dòng)玻璃基鍵合在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考來源:

傅覺鋒.玻璃基低溫激光鍵合技術(shù)及垂直互連研究

鐘毅.芯片三維互連技術(shù)及異質(zhì)集成研究進(jìn)展

張洪澤.表面活化室溫鍵合技術(shù)研究進(jìn)展

Hsiao. Cu/BCB hybrid bonding with TSV for 3D integration by using fly cutting technology

Koebel.Optimized solder alloy for glass-to-metal joints by simultaneous soldering and anodic bonding

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/月明)

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