Hybrid Bonding vs. Mikrobumps: Pitch, Verbindungsdichte, Ebenheit
Beide Techniken verbinden Chips untereinander oder Chips mit Wafern vertikal über sehr viele Anschlüsse. Bei Mikrobumps wird kleines Lot, etwa auf der Spitze von Kupfersäulen, aufgeschmolzen; damit das Lot nicht herausquillt und Nachbarn verbindet, ist ein Abstand nötig, und der Pitch liegt bei einigen zehn µm. Beim Hybrid Bonding werden ohne Lot plan polierte Flächen aus Kupferelektroden und Isolierschicht direkt miteinander verbunden; so sind Pitches unter 10 µm möglich und die Verbindungsdichte steigt um Größenordnungen. Dafür müssen die Bondflächen auf Nanometerebene eben und sauber sein.
| Merkmal | Hybrid Bonding | Mikrobumps |
|---|---|---|
| Verbindungsverfahren | Kupferelektroden mit Kupferelektroden und Isolierschicht mit Isolierschicht werden flächig direkt verbunden | Lotbumps, etwa auf Kupfersäulen, werden durch Erhitzen verbunden |
| Lot | Wird nicht verwendet | Wird verwendet |
| Typischer Anschlusspitch | Unter 10 µm. Bis auf einige µm verringerbar | Einige zehn µm. Minimal etwa 20 µm |
| Verbindungsdichte (pro 1 mm²) | Etwa 10.000 (10 µm Pitch) bis über 100.000 (3 µm Pitch) | Einige hundert (40 µm Pitch) bis einige tausend (20 µm Pitch) |
| Ebenheit und Sauberkeit der Oberfläche | Ebenheit auf Nanometerebene erforderlich. Schon kleine Partikel verursachen nicht verbundene Voids | Weniger streng, da das Lot Höhenunterschiede ausgleicht |
| Zwischen den Chips | Kein Spalt, kein Underfill nötig | Spalt entsteht und wird mit Underfill oder Harzfolie gefüllt |
| Hauptprozessschritte | Planarisierung per CMP → Reinigung und Plasmaaktivierung → Justieren und Fügen → Tempern (typisch einige hundert °C) zur Kupfer-Kupfer-Verbindung | Bumps durch Galvanik erzeugen → Justieren → Verbinden per Thermokompression (TCB) oder Reflow → Underfill |
| Bondeinheit | Wafer-to-Wafer oder Die-to-Wafer | Überwiegend auf Chipebene (Die-to-Wafer, Die-to-Die) |
| Elektrische Eigenschaften | Extrem kurze Verbindung, kleine parasitäre Kapazität. Geringe Energie pro übertragenem Bit | Größere parasitäre Kapazität durch die Bumps, daher ungünstiger als Hybrid Bonding |
| Hauptanwendungen | Gestapelte Bildsensoren, Stapeln von Cache-SRAM auf Prozessoren u. a. | DRAM-Stapelung in HBM, Anbindung von Chips auf Interposern u. a. |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.