Chiplet晶圓混合鍵合技術的發展現狀

Chiplet晶圓混合鍵合技術是微電子封裝和先進制造領域的一種新型連接技術，在當下已經成為實現芯片堆疊以及未來3D封裝的一項關鍵技術，是達成高性能、高密度芯片的重要手段 。

在當前，半導體產業的發展對于國防安全和國民經濟發展有著至關重要的意義，然而高端半導體裝備卻是國外對華技術封鎖的重點領域。盡管面臨這樣的困境，Chiplet晶圓混合鍵合技術依然在不斷發展。例如AMD在2021年宣布與臺積電合作開發3D Chiplet，其3D Chiplet技術名為3D V - Cache，實現的關鍵技術包括硅通孔（TSV）和混合鍵合（Hybrid Bonding），并且首款采用該技術的產品Ryzen 7 5800X3D已經問世，這表明Chiplet晶圓混合鍵合技術已經開始在實際產品中得到應用，并且展現出一定的技術成熟度，可以為芯片的性能提升帶來實際的效益，比如能夠在CPU上堆疊緩存，提高芯片的運行效率等 。

此外，眾多企業和研究機構也在積極探索該技術在不同場景下的應用可能性，以提高芯片的集成度、降低功耗并提升整體性能。一些相關的技術標準和接口規范也在逐步建立，以促進Chiplet晶圓混合鍵合技術在整個半導體行業的廣泛應用。

Chiplet晶圓混合鍵合技術的發展歷程

Chiplet技術的概念最早可以追溯到2015年，Marvell創始人周秀文博士在2015年國際固態電路會議（ISSCC）上提出模塊化芯片概念，這是Chiplet最早的雛形 。

隨著半導體技術的發展，摩爾定律面臨失效的問題，芯片制程的發展遇到瓶頸，傳統的單芯片設計方式在性能提升、成本控制等方面面臨挑戰。在這樣的背景下，Chiplet技術逐漸興起。芯原作為中國大陸第一，全球第七的半導體IP供應商，在各類處理器IP上有著深度布局，通過“IP芯片化（IP as a Chiplet）”和“芯片平臺化（Chiplet as a Platform）”持續推進芯粒技術的發展和產業化落地，這也為Chiplet晶圓混合鍵合技術的發展奠定了一定的基礎 。

從封裝技術的發展來看，最初的多芯片模塊（MCM）封裝技術為Chiplet的發展提供了一定的思路，之后2.5D封裝和3D封裝技術不斷發展，這些技術提供更高的互連密度，可以集成更多芯片模塊，有助于提升芯片效能，降低系統功耗，而Chiplet晶圓混合鍵合技術則是在這些技術發展的基礎上進一步發展起來的，是實現芯片更高性能、更高密度集成的關鍵技術之一，逐漸成為實現未來3D封裝的核心技術手段。

Chiplet晶圓混合鍵合技術的未來挑戰

一、技術層面的挑戰

（一）鍵合工藝的精度與穩定性

Chiplet晶圓混合鍵合技術要求極高的鍵合精度。在微觀層面，要實現晶圓與晶圓之間、芯片與芯片之間的精確連接并非易事。例如，在納米級別的工藝制程下，即使是微小的偏差也可能導致信號傳輸錯誤或者電路功能異常。鍵合過程中的穩定性也是一個關鍵問題，任何微小的振動、溫度變化或者化學物質的干擾都可能影響鍵合的質量，進而影響整個芯片的性能和可靠性 。

（二）不同材料間的兼容性

在Chiplet技術中，可能會涉及到多種不同材料的芯片進行混合鍵合。這些材料的物理和化學性質各異，如熱膨脹系數、硬度、導電性等。當它們組合在一起時，如何確保在不同的工作環境（如溫度變化、電場作用等）下，各材料之間能夠穩定地協同工作是一個挑戰。例如，硅基芯片與其他新型材料芯片（如III - V族化合物半導體芯片）混合鍵合時，可能會因為材料性質的差異而產生應力，導致芯片出現裂縫或者性能下降。

二、成本與效益的平衡挑戰

（一）研發成本高

開發Chiplet晶圓混合鍵合技術需要投入大量的資金用于研發先進的設備、工藝和材料。這些研發投入不僅包括硬件設施的建設，還包括對專業技術人才的培養和引進。例如，建立一套高精度的晶圓混合鍵合設備和研發相關的工藝技術，需要耗費巨額資金，并且研發周期較長，這對于企業來說是一個巨大的成本壓力。

（二）大規模生產的成本控制

在實現技術突破之后，如何將Chiplet晶圓混合鍵合技術應用于大規模生產并且實現成本的有效控制是另一個挑戰。要實現大規模生產，需要解決設備的量產化、工藝的穩定性和原材料的供應等問題。如果不能有效地控制成本，可能會導致采用Chiplet技術的芯片在市場上缺乏競爭力，盡管其在性能上可能具有優勢。

三、行業標準與兼容性挑戰

（一）缺乏統一的行業標準

目前，Chiplet技術還缺乏統一的行業標準，這對于晶圓混合鍵合技術的推廣和應用帶來了很大的不便。不同的企業可能采用不同的設計規則、接口標準和鍵合工藝，這使得不同來源的Chiplet難以實現互操作性。例如，一家企業設計的Chiplet可能無法與另一家企業的芯片平臺進行有效的混合鍵合和集成，這限制了Chiplet技術在整個行業的廣泛應用。

（二）與現有技術和系統的兼容性

Chiplet晶圓混合鍵合技術需要與現有的半導體技術和系統兼容。例如，在將Chiplet集成到現有的芯片架構或者電路板設計中時，可能會面臨信號匹配、電源管理和散熱等方面的問題。如果不能很好地解決這些兼容性問題，可能會導致整個系統的性能下降或者無法正常工作。

Chiplet晶圓混合鍵合技術的市場前景

一、巨大的市場潛力

（一）滿足高性能計算需求

隨著人工智能（AI）、大數據、云計算等領域的快速發展，對于高性能計算芯片的需求日益增長。Chiplet晶圓混合鍵合技術能夠將不同功能和性能的小芯片進行組合，實現高性能的異構集成，從而滿足這些領域對高帶寬、高算力、低延時、低功耗的需求。例如，在AI訓練和推理過程中，需要大量的計算資源，通過Chiplet技術可以將專門用于計算的芯片與存儲芯片等進行高效集成，提高整個系統的計算效率 。

（二）適應多樣化的應用場景

在物聯網（IoT）、車聯網、5G通信等多樣化的應用場景中，對芯片的要求各不相同。Chiplet技術的靈活性使得制造商能夠根據不同的應用需求定制芯片。例如，在車聯網場景中，可以將用于車輛控制、信息娛樂、自動駕駛等不同功能的小芯片通過混合鍵合技術集成在一起，實現功能多樣化且性能優化的芯片解決方案，滿足汽車電子系統對可靠性、低功耗和高性能的要求。

二、面臨的市場挑戰與機遇

（一）技術商業化的挑戰

盡管Chiplet晶圓混合鍵合技術在理論上具有很大的優勢，但要實現商業化還面臨著諸多挑戰。如前面提到的技術層面的挑戰、成本與效益的平衡挑戰以及行業標準與兼容性挑戰等，這些都可能影響該技術在市場上的推廣和應用。然而，一旦這些問題得到解決，Chiplet技術有望在市場上取得巨大的成功，開啟新的市場增長點。

（二）市場競爭與合作

在Chiplet技術的市場發展過程中，競爭與合作并存。一方面，眾多企業都在積極投入資源進行Chiplet技術的研發和應用，這將加劇市場競爭。例如，半導體行業的各大巨頭都在探索如何利用Chiplet技術提升自己產品的競爭力。另一方面，企業之間也存在合作的機會，通過共享技術、資源和標準，共同推動Chiplet技術的發展。例如，芯片設計公司與封裝測試企業之間可以合作，發揮各自的優勢，加速Chiplet技術的產業化進程。

Chiplet晶圓混合鍵合技術的創新方向

一、工藝創新

（一）提高鍵合工藝的精細化程度

在微觀層面進一步提高鍵合工藝的精細化程度是一個重要的創新方向。例如，通過研發更先進的光刻技術、蝕刻技術和沉積技術等，實現更小尺寸、更高精度的鍵合連接。這將有助于提高芯片的集成度，使得更多的小芯片能夠在有限的空間內實現混合鍵合，從而提升芯片的整體性能。同時，精細化的鍵合工藝還可以提高信號傳輸的速度和穩定性，減少信號延遲和干擾。

（二）探索新型鍵合材料和方法

除了現有的鍵合材料和方法，探索新型的鍵合材料和方法也是創新的關鍵。例如，研究具有更好電學性能、熱性能和機械性能的新型材料，用于替代或補充現有的鍵合材料。此外，開發新的鍵合方法，如基于分子間作用力或者量子效應的鍵合方法，可能會為Chiplet晶圓混合鍵合技術帶來新的突破。這些新型鍵合材料和方法有望解決目前存在的材料兼容性、鍵合強度和穩定性等問題。

二、架構創新

（一）異構集成架構的優化

優化異構集成架構是Chiplet技術創新的重要方向。通過對不同功能小芯片（如CPU、GPU、內存芯片、IO芯片等）的合理布局和連接方式的創新，可以進一步提高芯片的性能和能效比。例如，根據不同應用場景下的計算需求，調整計算芯片和存儲芯片之間的距離和連接方式，減少數據傳輸的距離和延遲，提高數據處理的效率。同時，還可以探索新的異構集成架構模式，如多層異構集成架構，以實現更高的集成度和性能提升。

（二）可重構架構的發展

發展可重構架構也是一個有潛力的創新方向。可重構架構允許芯片在運行過程中根據不同的任務需求動態地調整其內部結構和功能。對于Chiplet晶圓混合鍵合技術來說，可以通過設計可重構的小芯片和靈活的連接方式，實現芯片功能的動態切換和優化。例如，在一個既需要進行圖形處理又需要進行數據加密的應用場景中，可重構架構的Chiplet芯片可以根據任務的優先級和實時需求，動態地調整GPU和加密芯片的工作模式和資源分配，提高芯片的利用率和性能。

三、標準與接口創新

（一）建立統一的行業標準

建立統一的行業標準對于Chiplet晶圓混合鍵合技術的發展至關重要。這包括制定統一的設計規則、接口標準、鍵合工藝規范等。通過建立行業標準，可以提高不同企業生產的Chiplet之間的互操作性，促進Chiplet技術在整個行業的廣泛應用。例如，制定統一的接口標準可以確保不同來源的小芯片能夠方便地進行混合鍵合和集成，降低系統集成的難度和成本。

（二）創新接口技術

除了建立標準，創新接口技術也是提高Chiplet技術性能的關鍵。例如，開發高速、低功耗、高帶寬的接口技術，可以提高小芯片之間的數據傳輸速度和效率。此外，研究具有自適應性的接口技術，能夠根據不同的工作環境和任務需求自動調整接口參數，進一步提高接口的性能和兼容性。

Chiplet先進芯片封裝清洗介紹

·         合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

·         水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

·         合明科技運用自身原創的產品技術，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求，打破國外廠商在行業中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。