先进封装的发展，已不再是“拼凑工艺”的简单组合游戏。

当后摩尔时代呼唤更高密度、更低功耗的异构集成方案时，传统的微凸点（μ-bump）技术显得捉襟见肘。而 Wafer-to-Wafer（W2W）混合键合，凭借其“无需焊料、极低pitch、高精度对准”的天然优势，正一步步成为先进封装的基石。

在这场“越走越细”的竞赛中，imec 成功将混合键合的互连间距（pitch）压缩至 300nm，不仅刷新了业内纪录，更揭示了一个事实：
混合键合，不再是趋势，而是现实。

🧪 从 400nm 到 300nm：每一步都是挑战

在此前的研究中，imec 已经实现了 400nm pitch 的可靠混合键合。然而，从 400nm 向 300nm 演进，绝非“线性缩小”那么简单，而是牵一发而动全身的系统工程。

为了实现更小的pad pitch，团队主要做了三方面的突破：

1. 关键尺寸压缩

· Hybrid pad 最小CD压缩到 100nm

·最小pitch达到 200nm

·引入 dummy pad 以保证铜密度和形貌连续性

2. 形貌控制与叠合精度

·通过 六边形排布 + 密度渐变 设计，控制pad区域与空白区域的应力与平整度

·要在300nm pitch上保证电连接，overlay偏差必须控制在75nm以内

3. 工艺堆栈优化

·Dielectric stack 采用 SiCN/SiO₂/SiCN 三明治结构

·为降低 aspect ratio，整体pad深度从350nm压缩至250nm

·多道 CMP 工艺控制 pad recess 在 2~3nm 之间，保证平坦性

这一系列操作，不是“微调”，而是对先进制造极限的一次实质性试探。

🧩 电性验证：能连接还要能跑得动

实验不是为了“贴片展示”，而是为真实产品铺路。

为了验证工艺稳定性，研究中使用了 Kelvin结构 与 Daisy Chain结构 进行电性测试：

✅ Kelvin测试结果：

·400~500nm pitch，良率接近 100%

·350nm 仍能维持 高良率

·300nm 时，若pad密度控制在 20%，良率仍可达 70~80%

      “铜凸起”（Cu bulge-out）效应是关键机制，它能弥补轻微overlay误差，实现连接闭合。

但如果上下pad尺寸相等且铜密度过高（25%），容易在bond界面形成空洞，造成良率下降。

✅ Daisy Chain测试结果：

·300nm pitch 的大规模链路结构，仍保持高良率

·相比Kelvin结构，Daisy Chain对空洞更具容忍性

这一部分验证了一个核心认知：
       “连接”这件事，不仅关乎尺寸，还关乎形貌、密度、应力场之间的整体协同。

📌 形貌、应力、密度：隐藏在pitch背后的三体问题

如果只看论文中“300nm、100nm、75nm”的数字，会觉得这像是一场极限运动。

但 imec 真正突破的，其实是隐藏在背后的“三体问题”：

🔹 第一体：形貌的可控性

·表面粗糙度 ≠ 平整度

·Recess控制在2~3nm，还要应对由pad密度差异造成的“局部台阶”

·没有dummy pad的区域，抛光难以均匀

🔹 第二体：应力场的分布

·在晶圆边缘、密度突变区域，容易形成不均应力

·如果应力场在bonding前未解耦，将在叠合过程中“放大问题”

🔹 第三体：铜密度的动态变化

·高密度带来“易连接”，但也带来“电介质腐蚀”和“界面空洞”

·设计铜密度从15%、20%、25%逐级测试，找到最优窗口

这些变量，不是各自独立，而是彼此牵制，形成高度耦合系统。

真正的挑战，是在工艺窗口极窄的情况下，确保每一片晶圆、每一个pad都能连接、导通、可靠。

🧭 下一步：从 300nm 到 200nm，物理极限在哪里？

文章结尾处，imec 明确提出：
         目标是继续缩小 hybrid pad pitch，下一阶段将开发更小尺寸的 test vehicle。

但问题是：

·再缩，就逼近图形化能力极限（litho + etch）

·再缩，就面临热预算与材料界限

·再缩，连接精度必须进入 <50nm overlay 级别

这不再是“封装问题”，而是光刻、CMP、材料工程等多个学科交叉的结果。

所以我说：
         混合键合已经不是“封装的边缘工艺”，它正在吞噬前端的定义。

来源：《半导体产业报告》

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