Chiplet晶圆混合键合技术的发展现状

Chiplet晶圆混合键合技术是微电子封装和先进制造领域的一种新型连接技术，在当下已经成为实现芯片堆叠以及未来3D封装的一项关键技术，是达成高性能、高密度芯片的重要手段 。

在当前，半导体产业的发展对于国防安全和国民经济发展有着至关重要的意义，然而高端半导体装备却是国外对华技术封锁的重点领域。尽管面临这样的困境，Chiplet晶圆混合键合技术依然在不断发展。例如AMD在2021年宣布与台积电合作开发3D Chiplet，其3D Chiplet技术名为3D V - Cache，实现的关键技术包括硅通孔（TSV）和混合键合（Hybrid Bonding），并且首款采用该技术的产品Ryzen 7 5800X3D已经问世，这表明Chiplet晶圆混合键合技术已经开始在实际产品中得到应用，并且展现出一定的技术成熟度，可以为芯片的性能提升带来实际的效益，比如能够在CPU上堆叠缓存，提高芯片的运行效率等 。

此外，众多企业和研究机构也在积极探索该技术在不同场景下的应用可能性，以提高芯片的集成度、降低功耗并提升整体性能。一些相关的技术标准和接口规范也在逐步建立，以促进Chiplet晶圆混合键合技术在整个半导体行业的广泛应用。

Chiplet晶圆混合键合技术的发展历程

Chiplet技术的概念最早可以追溯到2015年，Marvell创始人周秀文博士在2015年国际固态电路会议（ISSCC）上提出模块化芯片概念，这是Chiplet最早的雏形 。

随着半导体技术的发展，摩尔定律面临失效的问题，芯片制程的发展遇到瓶颈，传统的单芯片设计方式在性能提升、成本控制等方面面临挑战。在这样的背景下，Chiplet技术逐渐兴起。芯原作为中国大陆第一，全球第七的半导体IP供应商，在各类处理器IP上有着深度布局，通过“IP芯片化（IP as a Chiplet）”和“芯片平台化（Chiplet as a Platform）”持续推进芯粒技术的发展和产业化落地，这也为Chiplet晶圆混合键合技术的发展奠定了一定的基础 。

从封装技术的发展来看，最初的多芯片模块（MCM）封装技术为Chiplet的发展提供了一定的思路，之后2.5D封装和3D封装技术不断发展，这些技术提供更高的互连密度，可以集成更多芯片模块，有助于提升芯片效能，降低系统功耗，而Chiplet晶圆混合键合技术则是在这些技术发展的基础上进一步发展起来的，是实现芯片更高性能、更高密度集成的关键技术之一，逐渐成为实现未来3D封装的核心技术手段。

Chiplet晶圆混合键合技术的未来挑战

一、技术层面的挑战

（一）键合工艺的精度与稳定性

Chiplet晶圆混合键合技术要求极高的键合精度。在微观层面，要实现晶圆与晶圆之间、芯片与芯片之间的精确连接并非易事。例如，在纳米级别的工艺制程下，即使是微小的偏差也可能导致信号传输错误或者电路功能异常。键合过程中的稳定性也是一个关键问题，任何微小的振动、温度变化或者化学物质的干扰都可能影响键合的质量，进而影响整个芯片的性能和可靠性 。

（二）不同材料间的兼容性

在Chiplet技术中，可能会涉及到多种不同材料的芯片进行混合键合。这些材料的物理和化学性质各异，如热膨胀系数、硬度、导电性等。当它们组合在一起时，如何确保在不同的工作环境（如温度变化、电场作用等）下，各材料之间能够稳定地协同工作是一个挑战。例如，硅基芯片与其他新型材料芯片（如III - V族化合物半导体芯片）混合键合时，可能会因为材料性质的差异而产生应力，导致芯片出现裂缝或者性能下降。

二、成本与效益的平衡挑战

（一）研发成本高

开发Chiplet晶圆混合键合技术需要投入大量的资金用于研发先进的设备、工艺和材料。这些研发投入不仅包括硬件设施的建设，还包括对专业技术人才的培养和引进。例如，建立一套高精度的晶圆混合键合设备和研发相关的工艺技术，需要耗费巨额资金，并且研发周期较长，这对于企业来说是一个巨大的成本压力。

（二）大规模生产的成本控制

在实现技术突破之后，如何将Chiplet晶圆混合键合技术应用于大规模生产并且实现成本的有效控制是另一个挑战。要实现大规模生产，需要解决设备的量产化、工艺的稳定性和原材料的供应等问题。如果不能有效地控制成本，可能会导致采用Chiplet技术的芯片在市场上缺乏竞争力，尽管其在性能上可能具有优势。

三、行业标准与兼容性挑战

（一）缺乏统一的行业标准

目前，Chiplet技术还缺乏统一的行业标准，这对于晶圆混合键合技术的推广和应用带来了很大的不便。不同的企业可能采用不同的设计规则、接口标准和键合工艺，这使得不同来源的Chiplet难以实现互操作性。例如，一家企业设计的Chiplet可能无法与另一家企业的芯片平台进行有效的混合键合和集成，这限制了Chiplet技术在整个行业的广泛应用。

（二）与现有技术和系统的兼容性

Chiplet晶圆混合键合技术需要与现有的半导体技术和系统兼容。例如，在将Chiplet集成到现有的芯片架构或者电路板设计中时，可能会面临信号匹配、电源管理和散热等方面的问题。如果不能很好地解决这些兼容性问题，可能会导致整个系统的性能下降或者无法正常工作。

Chiplet晶圆混合键合技术的市场前景

一、巨大的市场潜力

（一）满足高性能计算需求

随着人工智能（AI）、大数据、云计算等领域的快速发展，对于高性能计算芯片的需求日益增长。Chiplet晶圆混合键合技术能够将不同功能和性能的小芯片进行组合，实现高性能的异构集成，从而满足这些领域对高带宽、高算力、低延时、低功耗的需求。例如，在AI训练和推理过程中，需要大量的计算资源，通过Chiplet技术可以将专门用于计算的芯片与存储芯片等进行高效集成，提高整个系统的计算效率 。

（二）适应多样化的应用场景

在物联网（IoT）、车联网、5G通信等多样化的应用场景中，对芯片的要求各不相同。Chiplet技术的灵活性使得制造商能够根据不同的应用需求定制芯片。例如，在车联网场景中，可以将用于车辆控制、信息娱乐、自动驾驶等不同功能的小芯片通过混合键合技术集成在一起，实现功能多样化且性能优化的芯片解决方案，满足汽车电子系统对可靠性、低功耗和高性能的要求。

二、面临的市场挑战与机遇

（一）技术商业化的挑战

尽管Chiplet晶圆混合键合技术在理论上具有很大的优势，但要实现商业化还面临着诸多挑战。如前面提到的技术层面的挑战、成本与效益的平衡挑战以及行业标准与兼容性挑战等，这些都可能影响该技术在市场上的推广和应用。然而，一旦这些问题得到解决，Chiplet技术有望在市场上取得巨大的成功，开启新的市场增长点。

（二）市场竞争与合作

在Chiplet技术的市场发展过程中，竞争与合作并存。一方面，众多企业都在积极投入资源进行Chiplet技术的研发和应用，这将加剧市场竞争。例如，半导体行业的各大巨头都在探索如何利用Chiplet技术提升自己产品的竞争力。另一方面，企业之间也存在合作的机会，通过共享技术、资源和标准，共同推动Chiplet技术的发展。例如，芯片设计公司与封装测试企业之间可以合作，发挥各自的优势，加速Chiplet技术的产业化进程。

Chiplet晶圆混合键合技术的创新方向

一、工艺创新

（一）提高键合工艺的精细化程度

在微观层面进一步提高键合工艺的精细化程度是一个重要的创新方向。例如，通过研发更先进的光刻技术、蚀刻技术和沉积技术等，实现更小尺寸、更高精度的键合连接。这将有助于提高芯片的集成度，使得更多的小芯片能够在有限的空间内实现混合键合，从而提升芯片的整体性能。同时，精细化的键合工艺还可以提高信号传输的速度和稳定性，减少信号延迟和干扰。

（二）探索新型键合材料和方法

除了现有的键合材料和方法，探索新型的键合材料和方法也是创新的关键。例如，研究具有更好电学性能、热性能和机械性能的新型材料，用于替代或补充现有的键合材料。此外，开发新的键合方法，如基于分子间作用力或者量子效应的键合方法，可能会为Chiplet晶圆混合键合技术带来新的突破。这些新型键合材料和方法有望解决目前存在的材料兼容性、键合强度和稳定性等问题。

二、架构创新

（一）异构集成架构的优化

优化异构集成架构是Chiplet技术创新的重要方向。通过对不同功能小芯片（如CPU、GPU、内存芯片、IO芯片等）的合理布局和连接方式的创新，可以进一步提高芯片的性能和能效比。例如，根据不同应用场景下的计算需求，调整计算芯片和存储芯片之间的距离和连接方式，减少数据传输的距离和延迟，提高数据处理的效率。同时，还可以探索新的异构集成架构模式，如多层异构集成架构，以实现更高的集成度和性能提升。

（二）可重构架构的发展

发展可重构架构也是一个有潜力的创新方向。可重构架构允许芯片在运行过程中根据不同的任务需求动态地调整其内部结构和功能。对于Chiplet晶圆混合键合技术来说，可以通过设计可重构的小芯片和灵活的连接方式，实现芯片功能的动态切换和优化。例如，在一个既需要进行图形处理又需要进行数据加密的应用场景中，可重构架构的Chiplet芯片可以根据任务的优先级和实时需求，动态地调整GPU和加密芯片的工作模式和资源分配，提高芯片的利用率和性能。

三、标准与接口创新

（一）建立统一的行业标准

建立统一的行业标准对于Chiplet晶圆混合键合技术的发展至关重要。这包括制定统一的设计规则、接口标准、键合工艺规范等。通过建立行业标准，可以提高不同企业生产的Chiplet之间的互操作性，促进Chiplet技术在整个行业的广泛应用。例如，制定统一的接口标准可以确保不同来源的小芯片能够方便地进行混合键合和集成，降低系统集成的难度和成本。

（二）创新接口技术

除了建立标准，创新接口技术也是提高Chiplet技术性能的关键。例如，开发高速、低功耗、高带宽的接口技术，可以提高小芯片之间的数据传输速度和效率。此外，研究具有自适应性的接口技术，能够根据不同的工作环境和任务需求自动调整接口参数，进一步提高接口的性能和兼容性。

Chiplet先进芯片封装清洗介绍

·         研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

·         运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。