三维集成与芯粒

混合键合(hybrid bonding)

当你把两颗芯片叠在一起、还想让它们彼此通信时,就得在它们之间架一座桥。老办法是在两片裸片相对的焊盘之间放上一颗颗微小的焊球,就像把一块电路板搁在一床珠子上。这能用,但焊凸点很笨重:每一颗都得留出活动空间,所以一整颗芯片上也就只能塞下几千颗,而且每一颗都增加了高度、电阻和一段很长的电学通路。随着内存墙、以及把数据搬到片外所要付出的代价成为主导性的限制,这些又粗又稀的连接就变成了瓶颈。

混合键合干脆把焊料扔掉。取而代之的是,把每片裸片的表面打磨到近乎原子级的平整,铜焊盘则嵌在周围的氧化物之中。把两个表面压合在一起,氧化物与氧化物熔合、铜焊盘与铜焊盘熔合,全在一次键合里完成。所谓「混合」正是这种搭配:氧化物负责粘合与结构密封,铜负责电学连接。因为不必再为焊球留出空间,焊盘之间只需相隔一两微米,于是单是一平方毫米里就能塞进成千上万个这样的接点,每一个都既短、电阻又低、电学上又安静。

回报是焊凸点根本够不着的带宽与密度。用这种方式接合的 3D 堆叠,表现得几乎就像两片裸片本是同一块硅:信号径直跨过接缝,几乎不付出延迟或能量代价。这正是为什么混合键合是最激进的 3D 堆叠背后的使能一步——从直接叠在处理器顶上的缓存,到下一代的 HBM,目标都是在各层之间引出极其大量的导线,却不必在高度、功耗或面积上缴那笔「焊凸点税」。

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)

焊料微凸点会留下一道缝隙、还需要较宽的间距;混合键合把铜焊盘与铜焊盘直接熔合、周围围着氧化物,于是两片裸片之间没有缝隙、间距也细密得多。

难点在制造:键合表面必须做到无瑕地平整、洁净,并对准到亚微米级的精度,所以混合键合比放焊凸点更难、良率成本也更高,这也是为什么它只用在价值最高的那些堆叠上。

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