鄭志龍 / 工研院材化所
在人工智慧(AI)、高效能運算(HPC)與異質整合需求驅動下，先進封裝技術正快速成長，其中混合鍵合(Hybrid Bonding)成為支撐2.5D/3D IC、光電共封裝(CPO)與高頻寬記憶體(HBM)的關鍵技術。Hybrid Bonding兼具介電層與金屬直接鍵合，能提供超高密度互連、低延遲與優異散熱性能。然而，傳統氧化物/金屬混合鍵合受限於高溫製程與可靠度挑戰，使得聚合物/金屬混合鍵合（特別是感光型聚醯亞胺(PSPI)受到關注。PSPI兼具圖案化能力、低溫固化(≤200˚C)與低熱膨脹係數(CTE<35ppm/°C)的潛力，可有效解決Cu/PI界面熱膨脹不匹配問題，並形成線寬≤5 μm的高解析度結構，展現了支撐高密度互連的應用價值。整體而言，材料創新與製程整合將是推動混合鍵合技術邁向實用化與量產化的關鍵。
【內文精選】
Polymer/Metal Hybrid Bonding材料設計與技術挑戰
圖五為PI/Cu測試晶圓的製程流程。首先以半加成法形成10μm×6μm的銅柱，隨後旋塗PI並硬化，最後經化學機械研磨(CMP)露出銅表面，為符合Hybrid Bonding的需求，化學機械研磨後的PI/Cu測試晶圓必須具備極高的平坦性，其表面粗糙度(Ra)一般需控制在1nm以下。
圖五 PI/Cu測試晶圓的製程示意圖
圖六展示了PI/Cu初步鍵合測試的主要步驟。首先，將測試晶圓切割(Singulation) 成5mm×5mm的小晶片，並進行表面粗糙度與銅凸點高度量測。隨後，經檸檬酸或抗壞血酸水溶液處理後的上晶片，透過翻晶鍵合設備進行暫時性鍵合(Temporary Bonding)，並以X-ray或IR顯微鏡檢查對位精度與鍵合良率。接著，在氮/氫混合氣氛下，以300˚C、0.8 MPa、1小時完成永久性鍵合(Permanent Bonding)，並透過聲學斷層掃描(SAT)與聚焦離子束電子顯微鏡(FIB-SEM)檢視界面品質。最後，再次切割樣品以進行剪切強度與單接點電阻測試(Nanoprobe Measurement)，藉此評估鍵合界面的機械與電性可靠度。
圖六 PI/Cu鍵合測試流程示意圖
2. CTE控制與製程挑戰
近來工研院材料與化工研究所團隊專注於新一代感光型聚醯亞胺(PSPI)的研發，致力於解決Hybrid Bonding製程中的兩大關鍵挑戰：低溫製程需求與尺寸穩定性不足。我們透過分子設計的優化與單體立體結構的堆積控制策略，使材料能在≤200˚C的條件下完成固化，同時將熱膨脹係數(CTE)有效降低至<35ppm/°C，顯著緩解Cu/PI界面因熱膨脹係數不匹配所造成的應力問題。更重要的是，該材料仍保有圖案化能力，可在線寬≤5μm的尺度下形成高解析度結構，適用於再配線層(RDL)及細間距互連的先進製程。這項技術不僅能有效降低封裝過程中的熱應力與翹曲風險，也展現出支撐3D IC、Co-packaged Optics (CPO)及高頻寬模組所需的高密度互連潛力，充分展現低溫固化、低CTE與圖案化能力兼具的材料設計方向----以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》466期，更多資料請見下方附檔。