Hybrid bonding versus microbumps: pitch, dichtheid en vlakheid
Beide technieken verbinden chips onderling of chips met wafers verticaal via een groot aantal aansluitingen. Bij microbumps wordt een klein beetje soldeer, bijvoorbeeld op de top van een koperpilaar, gesmolten om de verbinding te maken; er is afstand nodig zodat uitvloeiend soldeer geen contact maakt met de buren, en de pitch ligt in de orde van enkele tientallen µm. Hybrid bonding gebruikt geen soldeer, maar verbindt de vlak gepolijste oppervlakken van koperelektrodes en isolatielaag direct met elkaar, zodat de pitch onder 10 µm kan komen en de verbindingsdichtheid ordes van grootte hoger wordt. Daar staat tegenover dat het bondoppervlak vlak en schoon moet zijn op nanometerniveau.
| Kenmerk | Hybrid bonding | Microbumps |
|---|---|---|
| Verbindingsmethode | Koperelektrodes en isolatielagen worden direct, vlak op vlak, met elkaar verbonden | Soldeerbumps op onder meer koperpilaren worden door verhitting verbonden |
| Soldeer | Niet gebruikt | Gebruikt |
| Indicatie verbindingspitch | Onder 10 µm. Kan worden verkleind tot enkele µm | Enkele tientallen µm. Op zijn smalst ongeveer 20 µm |
| Verbindingsdichtheid (per mm²) | Ongeveer 10.000 (pitch 10 µm) tot ruim 100.000 (pitch 3 µm) | Enkele honderden (pitch 40 µm) tot enkele duizenden (pitch 20 µm) |
| Vlakheid en reinheid van het oppervlak | Vlakheid op nanometerniveau vereist. Zelfs een klein deeltje veroorzaakt een holte (void) die niet hecht | Het soldeer vangt hoogteverschillen op, dus minder streng |
| Tussen de chips | Geen spleet, geen underfill nodig | Er ontstaat een spleet die wordt gevuld met underfill of een harsfilm |
| Belangrijkste processtappen | Vlakken met CMP → reinigen en activeren met plasma → uitlijnen en samenvoegen → annealen (typisch enkele honderden °C) om koper met koper te verbinden | Bumps vormen door plating → uitlijnen → verbinden met thermocompressiebonding (TCB) of reflow → underfill |
| Bondingseenheid | Wafer-op-wafer of chip-op-wafer | Hoofdzakelijk per chip (chip-op-wafer, chip-op-chip) |
| Elektrische eigenschappen | Zeer korte verbinding en kleine parasitaire capaciteit. Weinig energie nodig per overgedragen bit | Grotere parasitaire capaciteit door de bump; nadeliger dan hybrid bonding |
| Belangrijkste toepassingen | Gestapelde beeldsensoren, SRAM als cache gestapeld op een processor enz. | Stapelen van DRAM in HBM, verbinden van chips op een interposer enz. |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.