科技專案成果

工研院 ▶ 研發先進異質整合封裝技術

 技術特色 
聚焦半導體異質整合的先進封裝需求，開發混合鍵結技術，加強晶片高密度連接，有效縮短晶片傳輸路徑，提升效能。

 產業擴散  
技術移轉國內封裝設備廠和晶圓代工大廠，實現封裝設備國產化，促使我國半導體產業率先布局下一世代的先進封裝技術。

邁入智慧物聯網(AIoT)和5G大數據時代，帶動市場對半導體高性能晶片的需求，具高度晶片整合能力的異質整合封裝技術，成為半導體產業發展的關鍵利器。在經濟部技術處科技專案支持下，工研院投入先進異質整合封裝的明星接合技術「混合鍵結(Hybrid Bonding)」，領先國際做到百萬級高密度接點，可望持續鞏固我國半導體產業的未來優勢。

異質整合封裝的概念是，將各種不同功能的晶片，如處理器、記憶體或繪圖卡等，集成一個模組封裝，符合一直以來半導體製程追求體積縮小、高效能的先進封裝方式。

當半導體製程從7奈米、5奈米持續進化到3奈米，晶片體積越來越小，在封裝互連時，從過去數百個接點，大幅增加至數十萬甚至百萬計，需要更先進的接點技術，對異質整合封裝來說更是重要關鍵，「因為異質整合封裝技術，有效讓不同晶片之間達到高密度、高良率的連接」，工研院電光系統所組長張道智說。
 

▲ 促成國內晶圓大廠開發異質晶片整合製程服務。
 

去掉中間媒介 讓晶片直接連接

過去晶片常見的封裝方式，會先在表面鍍銅，在晶片與晶片的接點加上「錫球凸塊」。張道智比喻，傳統兩個晶片互接時，如同三明治般，結構依序是「上面晶片的銅、錫球、下面晶片的銅」，由於錫的熔點只有200多度，加熱融化後，錫和銅就會發生接合反應。

但這個方法只適用於接點間距在20微米以上，當晶片密集到彼此間距小於20微米時，兩個接點之間的錫容易發生沾黏，晶片也跟著報銷。工研院研發的混合鍵結技術，即拿掉中間的錫球，透過加熱、加壓的方式，讓銅跟銅之間的原子互相擴散，而晶片的電路保護層二氧化矽，也會彼此互相擴散，達到連接效果，「就像你泥中有我，我泥中有你。」

控制材料表面 磨出奈米級平整度

聽來簡單的加熱、加壓，其實技術難度不小。張道智指出，擴散效果取決於銅和二氧化矽的表面平整度，表面越平整，接觸面積越大，擴散路徑也就越短，「以開車來說，走平整的高速公路，一定會比粗糙的泥巴路更快。」

工研院採用化學機械研磨，讓銅和二氧化矽的表面達到奈米級的平整度，同時還要考量兩者對熱漲冷縮的反應不同，在加熱時修飾表面形貌。此外，也特別選用雙晶銅替代傳統的多晶銅材料，加快擴散速度，最終成功達到單顆晶片有130萬個接點互接，每平方毫米達27,000個接點的高密度，接點間距縮至10微米以下，成果領先國際。

另一突破則在於加熱溫度。市場上熱處理技術的峰溫大約在350~400度，但有些晶片對溫度特別敏感，研發團隊透過控制材料熱漲冷縮的形貌，成功將加熱溫度降到180度，擴大適用晶片的種類。

這項技術可縮小晶片體積、具低延遲與低功耗等優勢，適用在各種高階晶片上。工研院率先切入未來高階影像市場，和國際影像感測器大廠合作，將先進影像感測器用於4K、8K高畫素動態攝影機，預計2023年出貨。目前也技術移轉國內封裝設備廠，可對應接合誤差值僅0.3微米的高精密度晶片封裝，實現封裝設備國產化。此外，也與國內晶圓代工大廠合作開發，促使臺灣半導體產業率先布局下一世代的先進封裝技術。
 

• 成果案例出處：2021科技專案執行年報