混合铜键合—人工智能时代的制造业杠杆
- 郑宇渟／台北
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半导体产业的当前成长周期主要受人工智能（AI）、云基础设施和先进电子技术相关逻辑和存储需求的影响。这种强劲成长势头预计将持续到2026年及以后。根据展望，亚太地区是主要成长区域之一。
然而，这种成长日益受到互连经济学和制造能力的限制，而不仅仅受晶体管缩放的限制。随着器件向芯粒、逻辑上的存储器堆叠和高密度仲介层转变，封装成为性能和成本的决定性因素。
在这个背景下，混合铜键合（铜／氧化物混合键合）正从「高级研发」阶段向实用型缩放解决方案过渡，因为它与焊料微凸块相比，能够实现较高的输入／输出密度、较低的寄生效应以及更优的信号／功率输送路径。此外，它还为热敏型芯片的低温整合创造了条件。
混合键合并非一个小众流程决策，而是一个影响制造能力的关键决策，涉及良率提升速度和报废风险，包括界面完整性、孔隙和一致性；也关系到周期时间和工厂调度灵活性，以及排队时间稳定性和工具利用率。同时，它也将影响区域供应链竞争力，亦即谁能实现大规模工业化并在不同地点和区域进行复制。
为何微凸块决定了成本和可靠性的上限
传统焊料微凸块架构引入了多个界面和制程步骤，增加了变异性和成本。随着尺寸的缩小，这些架构在间距、电阻和长期可靠性方面也面临着缩放极限。
混合键合将电介质间键合与铜-铜直接连接相结合，应对了这些约束，支持间距小于10微米（在领先应用场景中，间距有进一步缩小的趋势），同时减小了互连长度并减少了寄生效应。其结果是缩短了延迟并降低了功耗。
因此，随着间距的缩小，问题不再仅仅是「能否实现键合？」，而更多地是「能否在多个工厂和地区以高良率和可接受的热预算实现可重复按键合？」
制造顺序和「成败关键」变量
典型的混合铜键合流程，首先采用镶嵌式或柱状电化学沉积法进行铜沉积，接着透过精确高度、低粗糙度的CMP平坦化技术控制表面，再进行氧化物管理与活化等表面处理。完成前处理后，在接近室温的条件下，通过电介质粘附进行对准和预键合，最后进行键合后退火，在此过程中铜-铜扩散和晶粒生长会消除界面。
虽然取向、表面清洁度和CMP（化学机械研磨）等因素至关重要，但在材料领域，一个关键杠杆也很重要，因为它直接影响良率和进度风险：铜的微观结构和表面形态，它们受电化学沉积化学特性影响很大，控制着原子扩散系数、氧化物破坏以及消除键合界面所需的晶粒生长。
因此，如果铜的内部结构「设计」得当，它可以在较低温度下进行键合，同时形成一个坚固、无孔隙的界面，从而降低高级堆叠和敏感芯片的风险。
「排队时间稳定性」
对于大批量生产而言，尽管在实际生产中会遇到计量、运输、不断返工、工具可用性和跨地点物流等方面的延误，但新镀铜必须保持随时可键合的状态。虽然新沉积铜一般具有细细微性，但高纯度沉积物在室温下会迅速再结晶，从而缩短有效制程窗口。
在对比式制程评估中，一种超高纯度铜制程在沉积后2至4小时内表现出明显的表面晶粒生长，在室温下16小时内几乎完全再结晶。相比之下，一种稳定的细晶粒方法在同样的2至16小时视窗内保持了基本不变的微观结构。
一种优化配方能够在常温存储下长时间保持这种细细晶结构。它将电镀和键合工序有效分开，提高了制造灵活性。
排队时间稳定性是工厂韧性的一个关键特性。它能减少键合前「超时」导致的良率损失。
使用Everplate Cu 300进行低温铜—铜键合的微观结构工程
Everplate Cu 300是一种酸性铜电解液，可以选择添加由促进剂、抑制剂和整平剂组分组成的专用添加剂组合，定制为细晶粒铜制程。该体系旨在实现无孔隙特徵填充，同时稳定纳米晶体微观结构，防止其在环境条件下快速再结晶。
Everplate Cu 300 FG是一种细晶粒、亚稳态铜沉积制程。这种材料状态支持铜-铜直接键合，特别适用于高级互连方案，包括高密度整合环境中的低温混合键合。
基于SEM（扫描电子显微镜）／FIB-SEM（聚焦离子束扫描电子显微镜）和EBSD（电子背散射衍射）分析的微观结构表徵结果，将制程条件与直接影响制造能力的结果关联起来。
从稳定性来看，细晶粒铜在数周环境温度存储（据称可存储4周以上）期间保持稳定，同时在热活化时仍能再结晶。
在200℃左右的制程窗口方面，在室温下长时间存储后，短时间预退火（在约200℃温度下约10分钟）可保持细晶粒结构。然而，较长时间的热暴露（在200±10℃温度下约2小时）会显着促进晶粒生长。
在无孔隙的热裕度方面，在受控条件下，高温退火（例如在300℃下持续数小时）不一定会形成孔隙。
此外，在铜／铜／镍多层堆叠结构中，长时间暴露于中等温度（例如在150℃下暴露500小时）会导致铜-铜界面消失，而且检测不到孔隙。这表明界面会在实际热预算范围内被消耗。
如果一个铜微观结构能够在数周内保持稳定，而且在键合退火过程中仍能「活化」，那麽它就能够支持更好的在制品（WIP）调度灵活性，对排队时间敏感性较低；在必须限制热预算的情况下，热敏型堆叠的整合风险较低；以及在跨地点和工具集进行扩展时，达成可重复产率的概率较高。
这就是微观结构工程不仅仅是材料科学的原因。它是实现可重复、高良率制造的一个途径。
在制造业中更广泛的适用性
不应将混合键合视为单一的「键合步骤」，而应将其视为一系列紧密耦合的制造视窗：沉积、平坦化、表面处理、键合以及键合后的热处理。
MKS的策略是采用系统与解决方案相结合的方法来解决这类问题。MKS阿托科技提供涵盖化学、设备、软件和服务在内的制程和制造技术。这种方法得到了全球技术中心网络和现场客户支持的保障。
缩放混合键合是一个跨流程优化难题。能够协同优化相邻步骤（例如化学、设备、制程控制、计量和物流）的供应商和制造商将缩短达到预定产率的时间并降低多地点复制的风险。
不断发展的亚洲半导体和电子产品供应链
亚洲半导体供应链不仅在扩大，还日益多元化。市场预测表明，全球半导体市场将继续成长，而亚太地区是这个成长轨迹的核心。同时，区域活动表明存在明显的转变趋势，即向能力、专业化和技术领先转变，而不仅仅是规模。
台湾仍是下一代半导体制造尤其是先进封装技术的焦点。台湾对混合键合和细晶粒铜技术的日益重视，凸显了向更高密度互连和更紧密晶圆级制程整合的趋势。日本正在加强其在价值链上游的作用，这里是材料、制程开发和封装基板创新的交汇点。
韩国正日益将先进封装视为一种战略能力，旨在将其在存储器领域的领先地位扩展到更高价值的AI时代整合领域，其中HBM驱动的2.5D/3D架构提高了热管理、翘曲控制和互连密度方面的标准。通过一项为期多年的、由国家支持的封装研发计划，以及旨在加强当地后端和供应链竞争力的半导体生态系统扩展措施，政策支持进一步强化了这个方向。
再往南，东南亚正在逐步发挥其作为大规模生产基地的作用。新设施的兴建和加速发展的路线图表明，该地区正开始逐步转向更先进的制程步骤并贡献更高的价值。与此同时，印度正作为一个不断发展的生态系统崛起，愈来愈注重构建当地半导体和先进封装能力。
其结果是形成了一个更加分散且专业化的供应链。台湾在扩大先进制造业方面处于领先地位，韩国正在延续其领先地位，日本在制程和材料创新方面稳固立足，东南亚正在扩大其能力涵盖范围，而印度则正为生态系统长期成长做准备。这些转变共同表明了一种区域模式，该模式更多地由技术差异化和供应链韧性决定，而成本套利的成分较少。
重新定义混合键合的准备状态
高层决策者不仅要调整其工作重点，还要调整其对准备状态的定义。混合键合不再仅仅是一个阶段性研究成果；它现已成为营运中的关键绩效指标（KPI）。排队时间限制、CMP变异性、键合良率和热预算裕度是反映制造效能的直接指标。
竞争格局的转变同样明显：制程视窗的稳健性比峰值效能更为重要。在严格受控的热条件下，能够长期保持稳定的微观结构并可靠地活化它们，正逐渐成为规模的决定性因素。
这使协同优化从一种优良规范提升为一项要求。优势日益体现在化学、设备、制程和过孔形成的整合中，从而实现一致的互连结果，而非仅仅体现在任何一个制程步骤中。
它具备战略性意义和直接意义：能否成功将取决于在多个地区不断缩小的制程视窗内，在不失去控制的前提下，能否实现先进封装技术的工业化生产。
混合键合是一种有竞争力的制造能力
混合铜键合正逐渐成为细间距2.5D和3D整合的基础互连技术。然而，其采用与否不仅取决于可行性，还取决于在日益严格的热预算限制下，能否始终如一地形成无孔隙、低电阻的铜-铜界面。
来自制造过程的愈来愈多的证据表明，工程亚稳态细晶粒铜具有一系列在营运上有决定性的特性：更长的排队时间稳定性与快速热活化晶粒生长相结合。这样可以支持在受控条件下消除界面而不形成孔隙。这些能力的扩展与生态系统整合密不可分。它取决于如何将制程化学、设备、软件、服务以及相邻制造步骤有效整合到一个统一的互连策略中。
这种整合在电子制造业发展最为迅速的地区尤其是亚洲地区，正处于至关重要的推动阶段。因此，能否在多个地点复制受到严格控制的制程流程正成为一项决定性要求。
其意义十分明确：随着先进封装在全球范围内的规模化应用，能够将微观结构控制转化为生产层面跨工具、跨制程、跨地区一致性的企业将获得竞争优势。在这个背景下，混合键合不仅是一个技术转捩点，也是对制造成熟度的一次考验。
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