Chiplet先进封装键合高度技术详解与未来趋势

在半导体技术持续追求更高性能、更低功耗和更小尺寸的今天，Chiplet（芯粒）技术已成为推动摩尔定律延续的关键路径之一。它将一个复杂的系统级芯片（SoC）分解成多个功能、工艺可能各异的独立小芯片，再通过先进的封装技术集成在一起。在这一集成过程中，键合高度 扮演着至关重要的角色，它直接影响到最终封装体的电气性能、热管理能力、机械可靠性和整体尺寸。

键合高度，通常指的是在Chiplet封装中，两个或多个芯片通过微凸块、混合键合等互连技术连接时，芯片表面与基板或中介层之间的垂直距离。这个参数并非一个孤立的数值，而是一个与互连密度、信号完整性、散热路径和应力分布紧密耦合的系统性指标。在追求更高集成度的先进封装中，如2.5D/3D IC封装，键合高度的控制变得尤为精密和具有挑战性。

从技术实现角度看，影响键合高度的核心因素主要包括互连技术和材料。主流的互连方式有：

1. 微凸块技术：这是目前2.5D封装（如使用硅中介层）中最常见的技术。通过锡银等焊料形成的微凸块实现芯片与中介层的连接。键合高度主要由凸块本身的尺寸、回流焊后的塌陷程度以及底部填充胶的厚度共同决定。为了追求更小的间距和更高的I/O密度，凸块尺寸正在从几十微米向十微米甚至亚微米级别演进，这对键合高度的均匀性和一致性控制提出了极高要求。

2. 混合键合技术：这是实现3D堆叠封装的关键技术，被视为下一代互连的主流方向。它通过铜-铜直接键合和介质层（如SiO₂）键合，实现芯片间的垂直互连。在这种技术中，“键合高度”的概念更接近于互连界面的整体厚度，可以做到微米级甚至更薄，从而实现极高的互连密度和极短的垂直互连距离，对提升带宽和降低功耗有革命性意义。

键合高度的优化设计是一个多目标权衡的过程。较低的键合高度有利于缩短互连长度，从而减少信号延迟和功耗，提升电气性能。更薄的垂直结构也有利于热量的纵向传导，使得底部芯片产生的热量能更有效地传递到散热器。过低的键合高度会带来显著的挑战：它对制造工艺的洁净度、平整度和对准精度要求呈指数级增长，任何微小的颗粒或翘曲都可能导致键合失败。在热应力或机械应力作用下，更薄的结构可能承受更大的应力集中，影响长期可靠性。为填充芯片间狭窄间隙所使用的底部填充材料的选择和填充工艺也变得更加困难。

工程师必须在性能、可靠性和制造成本之间找到最佳平衡点。这需要借助精密的仿真工具，对不同的键合高度方案进行电、热、力多物理场的协同仿真分析，以预测其在实际工作负载下的表现。

展望未来，随着Chiplet生态的成熟和异构集成需求的爆发，键合高度技术将继续向“更薄、更密、更可靠”的方向发展。混合键合技术将逐步从高端领域向更广泛的应用渗透，推动键合高度进入一个全新的尺度。新材料（如新型导电胶、热界面材料）、新工艺（如晶圆级封装、激光辅助键合）也将不断涌现，为精确控制与优化键合高度提供更多解决方案。这不仅将助力实现更高性能的计算芯片（如CPU、GPU），也将为人工智能、自动驾驶、高性能计算等前沿领域提供坚实的硬件基础。

FAQ

1. 问：在Chiplet封装中，键合高度主要影响哪些性能指标？

答：键合高度主要影响电气性能（信号传输速度、延迟、串扰和功耗）、热管理性能（芯片间热阻和整体散热效率）以及机械可靠性（对热应力和机械应力的抵抗能力）。它是连接密度、系统性能和封装可靠性的关键设计参数之一。

2. 问：混合键合技术与传统微凸块技术相比，在键合高度上有何根本区别？

答：根本区别在于互连结构的尺度和集成方式。传统微凸块技术通过焊料球连接，键合高度在十到几十微米量级。而混合键合通过铜和介质的直接融合实现连接，其有效“键合高度”仅为互连界面层的厚度，可达微米级甚至更薄，从而实现数量级提升的互连密度和更优的电热性能。

3. 问：降低键合高度面临的最大挑战是什么？

答：最大挑战来自于制造工艺极限和可靠性保障。降低高度要求芯片表面极度平整、洁净，键合对准精度要求极高（亚微米级）。更薄的结构对热膨胀系数失配引起的应力更为敏感，对底部填充工艺和材料的要求也更为苛刻，这些都会增加工艺复杂度和成本，并可能对长期可靠性构成考验。