三維整合與小晶片

混合鍵合(hybrid bonding)

當你把兩顆晶片疊在一起、還想讓它們彼此通訊時,就得在它們之間架一座橋。老辦法是在兩片裸晶相對的焊墊之間放上一顆顆微小的焊球,就像把一塊電路板擱在一床珠子上。這能用,但焊凸塊很笨重:每一顆都得留出活動空間,所以一整顆晶片上也就只能塞下幾千顆,而且每一顆都增加了高度、電阻和一段很長的電學通路。隨著記憶體牆、以及把資料搬到晶片外所要付出的代價成為主導性的限制,這些又粗又稀的連接就變成了瓶頸。

混合鍵合乾脆把焊料扔掉。取而代之的是,把每片裸晶的表面打磨到近乎原子級的平整,銅焊墊則嵌在周圍的氧化物之中。把兩個表面壓合在一起,氧化物與氧化物熔合、銅焊墊與銅焊墊熔合,全在一次鍵合裡完成。所謂「混合」正是這種搭配:氧化物負責黏合與結構密封,銅負責電學連接。因為不必再為焊球留出空間,焊墊之間只需相隔一兩微米,於是單是一平方毫米裡就能塞進成千上萬個這樣的接點,每一個都既短、電阻又低、電學上又安靜。

回報是焊凸塊根本搆不著的頻寬與密度。用這種方式接合的 3D 堆疊,表現得幾乎就像兩片裸晶本是同一塊矽:訊號徑直跨過接縫,幾乎不付出延遲或能量代價。這正是為什麼混合鍵合是最激進的 3D 堆疊背後的使能一步——從直接疊在處理器頂上的快取,到下一代的 HBM,目標都是在各層之間引出極其大量的導線,卻不必在高度、功耗或面積上繳那筆「焊凸塊稅」。

solder microbump stack        hybrid-bonded stack
  [ die A ]                     [ die A ]
   o o o o   <- solder bumps    |||||||||  <- Cu pad-to-pad
   (~40um pitch, gap+height)    ============ oxide-to-oxide bond
  [ die B ]                     [ die B ]
                                 (~1um pitch, no gap)

焊料微凸塊會留下一道縫隙、還需要較寬的間距;混合鍵合把銅焊墊與銅焊墊直接熔合、周圍圍著氧化物,於是兩片裸晶之間沒有縫隙、間距也細密得多。

難點在製造:鍵合表面必須做到無瑕地平整、潔淨,並對準到次微米級的精度,所以混合鍵合比放焊凸塊更難、良率成本也更高,這也是為什麼它只用在價值最高的那些堆疊上。

又稱
direct bond interconnectcopper-to-copper bondingCu-Cu hybrid bonding铜-铜混合键合銅-銅混合鍵合