先進(jìn)封裝之圖像傳感器混合鍵合（CMOS Hybrid Bonding）

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聊到混合鍵合（Hybrid Bonding）, 我們?cè)谥暗囊黄恼隆断冗M(jìn)封裝之混合鍵合（Hybrid Bonding）的前世今生》已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，此處不再贅述。

Hybrid Bonding從最初量產(chǎn)便首先應(yīng)用于圖像傳感器上，直到現(xiàn)在除了一些先進(jìn)處理器在應(yīng)用該技術(shù)外，其在圖像傳感器CIS(CMOS image sensors)上仍然在不斷的發(fā)展，最終產(chǎn)品常被用于高端手機(jī)相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼單反相機(jī)的堆疊背照式CMOS圖像傳感器（BI-CIS）。

今天，我們聊聊日本Sony發(fā)布的一種BI-CIS技術(shù)，其目的是將圖像傳感器（CIS）和圖像信號(hào)處理器（ISP）連接在一起。如圖1(左)所示，傳統(tǒng)的BI-CIS采用TSV技術(shù)將像素陣列和邏輯電路在芯片外圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)6微米間距，2萬(wàn)個(gè)銅-銅連接。圖1(右)采用了銅-銅混合鍵合的BI-CIS器件則是實(shí)現(xiàn)了的更小的互聯(lián)間距（5微米間距）和更大規(guī)模的互聯(lián)，達(dá)到150萬(wàn)個(gè)銅柱連接。更高的密度甚至可以做到3微米和300萬(wàn)個(gè)銅柱連接。

傳統(tǒng)TSV技術(shù)與銅-銅混合鍵合的主要差異如圖4所示。明顯可以看出銅-銅混合鍵合技術(shù)中單個(gè)連接單元占用空間更小。從布局靈活性的角度來(lái)看，與傳統(tǒng)的芯片堆疊技術(shù)（如通過(guò)硅通孔技術(shù)）相比，銅-銅連接具有許多優(yōu)點(diǎn)。我們可以將銅-銅連接放置在上/下芯片的外圍區(qū)域以及中央?yún)^(qū)域這樣就增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性。鍵合步驟示意圖如圖5所示。

這么小的間距，勢(shì)必要求更高的貼裝精度，圖6為傳統(tǒng)鍵合工藝（左）和最新鍵合工藝（右）制造中的錯(cuò)位比較?？梢钥吹?.5微米以下的錯(cuò)位是完全可以做到的。

這些是不是已經(jīng)夠復(fù)雜了？還有更為復(fù)雜更先進(jìn)的封裝技術(shù)應(yīng)用于CIS產(chǎn)品。業(yè)界提出了具有兩種類型的3D堆疊結(jié)構(gòu)：同質(zhì)芯片堆疊和異質(zhì)芯片堆疊。當(dāng)然，在任何結(jié)構(gòu)中，具有高密度連接的三個(gè)或更多芯片將是突破傳統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵。

在3D堆疊器件中，正面對(duì)正面的銅-銅混合鍵合和正面面對(duì)背面的銅-銅混合鍵合為我們提供了三維集成的靈活性。相比傳統(tǒng)的微凸點(diǎn)技術(shù)，晶圓級(jí)銅-銅混合鍵合可以在極高密度下電連接上下芯片。

圖8，展示了一個(gè)三層堆疊結(jié)構(gòu)的示例。其具體加工流程如圖9所示。首先，在top wafer和middle wafer的頂部BEOL層上制作銅連接BUMP。將top wafer和middle wafer進(jìn)行面對(duì)面的銅-銅混合鍵合后，middle wafer的背面通過(guò)減薄以制作TSV。最后，通過(guò)位于middle wafer背面和bottom wafer頂部BEOL層上制作的銅連接bump，實(shí)現(xiàn)middle wafer和bottom wafer的銅-銅混合鍵合。

本文介紹的技術(shù)當(dāng)前主要來(lái)自于日本Sony公司，國(guó)內(nèi)同行對(duì)相關(guān)技術(shù)的報(bào)道還不多。希望國(guó)內(nèi)封裝巨頭們，也抓緊趕上。

參考文獻(xiàn)：

1. The Scaling of Cu-Cu Hybrid Bonding For High Density 3D Chip Stacking Y. Kagawa , S. Hida etc.

2. Novel Stacked CMOS Image Sensor with Advanced Cu2Cu Hybrid Bonding Y. Kagawa , N. Fujii,etc.

3. An Advanced CuCu Hybrid Bonding For Novel Stacked CMOS Image Sensor Y. Kagawa, N. Fujii, etc.

4. Impacts of Misalignment on 1μm Pitch Cu-Cu Hybrid Bonding Y. Kagawa, H. Hashiguchi, etc

5. Development of face-to-face and face-to-back ultra-fine pitch Cu-Cu hybrid bonding Yoshihisa Kagawa, Takumi Kamibayashi, etc.