晶圆键合技术的垂直堆叠芯片工艺封装流程及其应用和芯片封装清洗介绍

以下是基于晶圆到晶圆（Wafer-to-Wafer, W2W）键合技术的垂直堆叠芯片工艺封装流程及其应用分析：

一、晶圆到晶圆键合封装流程

1. 晶圆预处理与清洗

• 对晶圆表面进行化学清洗（如RCA清洗）、蚀刻去除氧化物，并通过湿法/干法工艺清除杂质，确保表面原子级平整。

• 表面活化处理（如等离子体处理）以增强键合界面反应活性。

2. 关键工艺：化学机械抛光（CMP）

• 采用CMP技术将晶圆表面粗糙度控制在0.5nm以内，确保键合均匀性。铜焊盘需保持1nm以下粗糙度以实现高精度接触。

• CMP后需优化晶圆边缘平整度，避免减薄或键合过程中破裂。

3. 对准与键合

• 直接键合：硅片或玻璃基板在高温（700–1100°C）下退火形成共价键。

• 混合键合（Hybrid Bonding）：结合铜-铜直接互连与电介质键合，实现电气和机械双重连接，适用于亚微米级互连间距（如400nm）。

• 利用高精度对准设备（精度可达1μm以下）将两片晶圆对准，通过范德华力或静电引力实现临时接触。

• 键合方式：

4. 退火与界面强化

• 高温退火（200–500°C）促进铜原子扩散，消除界面缺陷，增强键合强度。

5. 晶圆减薄与互联

• 通过研磨、刻蚀等方式将晶圆减薄至50μm以下，暴露硅通孔（TSV）或铜柱，形成垂直互联通道。

• 采用铜芯焊球（CCSBs）或再分布层（RDL）实现多层堆叠的信号传输。

二、核心技术挑战

1. 晶圆边缘缺陷控制

• 边缘不均匀性会导致键合空洞，需通过边缘沉积、斜面蚀刻等技术优化。

2. 对准精度与表面洁净度

• 纳米级颗粒即可引发键合失败，需在ISO 3级以上洁净环境下操作。

3. 热应力与翘曲管理

• 材料热膨胀系数需匹配，结合临时键合载片技术减少加工应力。

三、典型应用场景

1. 逻辑与内存异构集成

• 通过垂直堆叠实现逻辑芯片与高带宽内存（HBM）的直接互连，缩短信号路径，降低延迟（如AI芯片、移动处理器）。

2. 3D NAND存储器件

• 多层存储单元与CMOS外围电路的混合键合，提升存储密度与访问速度。

3. MEMS/传感器封装

• 硅-玻璃阳极键合用于压力传感器、惯性器件的气密封装，提升可靠性。

4. 先进封装中介层

• 基于RDL的扇出型封装（FOWLP）结合W2W键合，用于高性能移动处理器与射频模块集成。

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四、发展趋势

• 互连密度提升：从1μm间距向100nm以下演进，支持更高带宽需求。

• 材料创新：采用SiCN替代SiO₂作为电介质，增强键合界面热稳定性。

• 异构集成扩展：结合芯片到晶圆（D2W）技术，实现不同制程芯片的混合堆叠。

先进封装芯片清洗剂选择：

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。

合明科技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。

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