電子發燒友網綜合報道
半導體封裝技術正經歷從傳統平面架構向三維立體集成的革命性躍遷，其中銅 - 銅混合鍵合技術以其在互連密度、能效優化與異構集成方面的突破，成為推動 3D 封裝發展的核心動力。
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據資料顯示，這項技術通過將銅金屬鍵合與介電層鍵合工藝結合，實現了亞微米級的垂直互連，使芯片堆疊密度提升兩個數量級，為突破摩爾定律物理極限提供了可行路徑。
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二十年來，錫基焊料凸點（Micro Bump）一直是芯片堆疊的標準導線。但當互連間距縮小至10μm以下時，這套系統開始崩潰。會導致金屬化合物脆化導致連接斷裂、熱膨脹差異引發應力裂縫、電流密度暴增誘發電遷移失效等危害。
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而銅-銅混合鍵合通過化學機械拋光將銅焊盤表面粗糙度控制在1nm以下，結合等離子體活化處理在介電層表面生成羥基基團，在200-400℃退火過程中實現銅原子跨界面擴散與介電層共價鍵合，形成無間隙的三維連接。
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這種工藝將傳統微凸塊封裝40-50μm的互連間距縮小至1-2μm，IMEC等機構已實現400nm間距的突破性驗證，使每平方毫米互連密度達到700萬連接點。這種高密度互連能力直接推動了HBM3存儲器的技術演進，三星與SK海力士通過該技術將DRAM堆疊層數提升至16層以上，帶寬突破1TB/s。
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從性能優勢來看，銅-銅混合鍵合徹底改變了3D封裝的電氣與熱管理特性。直接銅互連使信號傳輸電阻降低50%以上，功耗僅為傳統微凸塊封裝的三分之一，AMD的3D V-Cache通過該技術將L3緩存堆疊于CPU核心，算力提升15%的同時功耗降低16%。
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銅材料400W/mK的高導熱性與緊密堆疊結構結合，使熱阻較傳統封裝降低15-30%，有效解決了AI芯片等高功耗器件的散熱難題。更重要的是，該技術支持不同工藝節點、材料體系的異構集成——英偉達H100 GPU通過臺積電SoIC平臺實現CPU、GPU與HBM存儲器的混合堆疊，而Graphcore的IPU則借助混合鍵合將處理器與SRAM集成，能效比提升40%，這種靈活性使芯片設計擺脫了單一制程的限制，實現功能模塊的最優工藝匹配。
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此外，臺積電的SoIC平臺支持芯片對晶圓與晶圓對晶圓的混合鍵合，其CoWoS_L技術實現3.5倍光罩尺寸的封裝量產，成為英偉達、谷歌等企業HPC芯片的核心封裝方案。英特爾則通過EMIB-T技術優化供電設計，結合分解式散熱器與高導熱界面材料，將混合鍵合應用于HBM4 與UCIe芯粒集成。
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不過這種技術在量產時，也面臨著三重挑戰。一個是粒徑超過0.1μm的微粒就會導致鍵合失效，要求生產環境潔凈度達到ISO 3級或更高的潔凈室標準，這相當于手術室標準的千分之一。二是300mm晶圓在鍵合過程中的熱膨脹差異若超過5μm（約頭發絲的十五分之一），將導致精密對準功虧一簣。臺積電采用激光輔助局部加熱技術，將畸變降低了30%。
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三是單臺混合鍵合設備價格超過500萬美元，使得芯片對晶圓（D2W）工藝的初始良率僅85-90%。英特爾正開發聚合物輔助銅漿料，目標將鍵合溫度降至150℃以降低成本。
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小結
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從技術變革到產業應用，銅-銅混合鍵合技術正重塑半導體制造的底層邏輯。它不僅是3D封裝的關鍵創新，更是開啟超越摩爾時代的鑰匙，通過將系統級集成能力推向新高度，為AI、自動駕駛、量子計算等前沿領域提供了堅實的硬件基礎。隨著產業鏈協同的深化與技術瓶頸的突破，這項技術將在未來十年內持續釋放創新勢能，推動半導體產業邁向更廣闊的發展空間