凸起尺寸增大面临的挑战：
随着焊接步骤的减少，诸多挑战随之而来。凸起高度和接合表面积的减小使得建立可靠的电气连接变得越来越困难，需要精确的制造工艺来避免误差。共面性和表面粗糙度变得至关重要，因为即使是微小的缺陷也会影响接合的成功。
由于铜柱尺寸和凸起直径减小，制造过程中面临诸多挑战，例如蚀刻难度增加，导致侧切的可能性增大。电化学沉积 (ECD) 工艺更为复杂，因为确保均匀性和控制共面性更具挑战性。此外，随着凸起尺寸的减小，键合质量对凸起共面性、表面粗糙度和硬度等因素的敏感性，使得温度、时间和压力等参数的调整更加复杂。.
传统的倒装芯片键合方法仅限于 50μm 或 40μm 的间距，这会导致热膨胀系数不匹配，进而引发芯片翘曲和位移等可靠性问题。为了解决这些问题，半导体行业正在转向热压键合 (TCB) 技术，用于先进的小间距键合应用，包括小至 10μm 的间距。TCB 为实现不断发展的半导体封装领域所需的精度和可靠性提供了一条极具前景的途径，并不断突破电子器件小型化和性能的极限。.
然而，当接触面积减小到约10微米时，就会出现一些问题。较小的焊珠尺寸会增加金属间化合物（IMC）形成的风险，从而降低导电性和机械性能。此外，焊珠相互接触并导致回流焊过程中出现桥接失效的可能性，进而可能导致芯片失效。这些限制在高性能元件封装应用中正变得日益突出。.
混合铜-铜键合技术的出现：
为了克服这些问题，混合铜-铜键合技术应运而生，堪称一项颠覆性技术。这项创新技术将金属触点嵌入介电材料之间，并利用热处理实现铜原子的固态扩散，从而消除了焊接中常见的桥接问题。
与倒装芯片焊接相比，混合键合的优势显而易见。首先，它能够实现超细间距和小尺寸触点，从而增加I/O点的数量。这在现代半导体封装中至关重要，因为器件需要越来越多的连接才能满足性能要求。其次，与通常依赖填充材料的倒装芯片焊接不同，铜-铜混合键合无需填充材料，从而降低了寄生电容、电阻、电感以及热阻。最后，铜-铜混合键合连接的厚度显著降低，几乎完全消除了倒装芯片技术中使用的10-30微米厚的焊球，为更紧凑、更高效的半导体封装开辟了新的可能性。.
Cu-Cu混合结制造面临的挑战：
Cu-Cu混合结技术对于先进的半导体封装来说非常有前景，但它也带来了一些挑战，需要创新性的解决方案才能使其未来发展。
目前，混合式铜-铜键合技术有三种形式（见下表）。晶圆对晶圆（W2W）工艺应用最为广泛，而芯片对晶圆（D2W）或芯片对晶圆（C2W）工艺则正处于研发热点，因为它可用于更多需要集成不同尺寸芯片的应用。.
三种混合型铜-铜结。资料来源：IDTechEx - “2024-2034 年先进半导体封装材料与工艺”
对于这三种方法而言，制造过程中一个至关重要的环节是键合环境，其中通过优化化学机械抛光 (CMP) 获得平整洁净的介电层表面至关重要。此外，开发能够承受更低退火温度和更短退火时间的介电材料对于最大限度地减少键合过程中晶圆变形和翘曲的可能性至关重要。优化铜溶液的电化学沉积 (ECD) 工艺也可以缩短退火时间和降低退火温度，从而提高效率。.
对于D2W/C2W工艺而言，解决芯片独特性和边缘效应方面的挑战至关重要，同时还需最大限度地减少芯片和晶圆中的污染。高精度拾放设备对于确保芯片的精确放置至关重要，其公差可低至0.2 µm。为了弥补潜在的放置误差，更大的铜焊盘必不可少。此外，先进的薄晶圆处理技术将在确保混合铜-铜键合的成功方面发挥重要作用。.
未来铜-铜混合结的研发重点很可能在于改进和优化工艺中的这些关键环节。这包括化学机械抛光（CMP）、介电材料、电化学沉积（ECD）解决方案和拾放设备的进步，以及薄晶圆处理技术的创新。克服这些挑战将为铜-铜混合结在先进半导体封装领域的更广泛应用铺平道路，从而实现更小巧、更强大、更节能的电子器件的制造。.
要了解更多关于3D半导体封装（铜-铜混合结）的信息，请参阅IDTechEx报告《2024-2034年先进半导体封装材料与工艺》。该报告分为四个主要部分，以结构化的方式帮助读者理解先进半导体封装。第一部分全面介绍了先进半导体封装的技术、发展趋势、关键应用和生态系统，使读者对该领域有一个清晰的了解。第二部分重点介绍2.5D封装工艺，深入探讨了RDL和微孔的介电材料、RDL制造技术以及EMC和MUF的材料选择等关键方面。本部分的每个小节都对工艺流程、技术基准、利益相关者评估和未来趋势进行了详细分析，为读者提供了完整的概览。.
该报告在2.5D封装分析的基础上，进入第三部分，重点介绍用于3D半导体封装的创新型铜-铜混合结技术（Cu-Cu混合结）。本部分提供了有关制造工艺的宝贵数据，并指导如何选择合适的材料以获得最佳效果。此外，本部分还展示了使用有机和无机介电材料成功应用Cu-Cu混合结的案例研究。报告的最后一章还提供了先进有机介电半导体封装模块的十年市场预测。该预测涵盖了单位和面积指标，为业界提供了对未来十年市场增长和趋势的重要洞察。.
作者：张宇涵博士，IDTechEx高级技术分析师
