電子封裝正朝著更小尺寸、更強性能、更優電氣和熱性能、更高I/O數量和更高可靠性的方向飛速發展。然而，傳統的Sn基焊料互連封裝技術，盡管具有低鍵合溫度和低成本等優勢，其局限性也日益凸顯，如焊料外溢、電氣性能較差以及焊接溫度導致的芯片或基板翹曲等問題。在這樣的背景下，先進封裝技術應運而生，成為推動半導體行業繼續前行的關鍵力量。

一、集成電路封裝發展概況

半導體業界已明確五大增長引擎，這些應用推動了電子封裝技術的不斷進步。移動和便攜式設備，如智能手機、智能手表和筆記本電腦，要求封裝尺寸更小、重量更輕，同時保持高性能和低功耗。高性能計算（HPC）則對處理速度和計算能力提出了更高要求。自動駕駛汽車和物聯網（IoT）則需要高度集成、低功耗和長壽命的封裝解決方案。大數據（云計算）和即時數據（邊緣計算）應用則要求封裝具有高帶寬和低延遲。

目前，大規模回流焊工藝和熱壓焊技術是電子組件中兩種廣泛使用的互連封裝技術。然而，Sn基焊料的電氣性能較差，且焊接溫度較高，容易導致芯片或基板翹曲，限制了其進一步發展。因此，業界迫切需要尋找新的封裝技術，以滿足未來應用的需求。

二、先進封裝技術的誕生

隨著集成電路產業的不斷發展，摩爾定律在傳統半導體行業面臨挑戰。為了維持半導體行業的發展，業界提出了More Moore和More than Moore兩條路徑。More Moore路徑致力于晶體管的不斷縮放以提高性能，而More than Moore路徑則通過電路設計、系統算法優化或封裝技術來提高芯片的性能。然而，隨著先進制程逐漸向原子尺寸逼近，晶體管的制造難度呈指數級增加，且成本高昂，量產進度落后于預期。

在這樣的背景下，先進封裝技術登上歷史舞臺，成為拓展摩爾定律技術路線的重要方向。目前，已經出現許多先進的封裝技術，如2-D扇出（芯片優先）IC集成、2-D倒裝芯片集成、封裝上封裝（PoP）、封裝中系統（SiP）、μ凸點3-D IC集成和無凸點3-D IC集成等。

為了提高互連密度，IBM提出了倒裝鍵合（Flip Chip）技術，利用焊錫凸點將芯片與芯片鍵合在一起。然而，當互連密度提高到一定地步時，焊點將很容易完全轉化為金屬間化合物（IMC），進而降低焊點的機械性能與導電性能。因此，業界開始探索銅銅直接鍵合技術，其中銅銅混合鍵合技術已經得到了應用。該技術將銅焊點鑲嵌在介電材料中，并利用熱處理同時鍵合兩種材料，由于固態的銅原子會發生擴散，因而可以實現鍵合。整個過程一直處于固態，因此不會有橋接問題，且能顯著提升焊點密度和降低信號傳導所需的能量。

三、銅銅互聯封裝技術應用

硅通孔技術（TSV）

硅通孔技術是通過在硅孔中填充鎢、銅、多晶硅等導電物質，形成垂直方向上的電氣互連。TSV技術避免了長布線帶來的尺寸限制和信號延遲等問題，有效減小了封裝體的尺寸。相對于二維封裝技術，TSV具有更強的電氣性能、更高的堆疊密度和更寬的帶寬，同時功耗更低。因此，TSV技術非常適合便攜式電子產品和物聯網/可穿戴設備等應用。

然而，TSV的填充工藝具有較大難度，因為硅通孔的孔徑較小且比較深，高深寬比使得其有較大的表面張力，并且孔外的電流密度一般高于孔內，物質很難擴散到孔內部。因此，業內的科研人員圍繞TSV的填充工藝展開了大量研究，以降低成本并提高沉積速率。

再布線層技術（RDL）

為了不斷擴展摩爾定律，除了晶體管的新型納米技術的發展外，2.5D和3D的先進封裝技術也在快速發展。在集成扇出（InFO）封裝中引入再分配層（RDL）可實現更好的集成能力和更低的成本。便攜設備中芯片的厚度限制抑制了其散熱能力，因此下一代移動應用需要提高熱性能。預計由RDL技術制造的并排封裝將是未來的移動封裝解決方案，因為與PoP相比，并排結構可以增加芯片厚度，并且RDL可以通過用RDL代替傳統印刷電路板（PCB）來提供小的形狀因數，從而提高熱性能。然而，需要解決與臺階高度、翹曲、底切和泄漏相關的關鍵挑戰，以實現精細間距RDL集成。

電鍍銅是RDL工藝制造的重要步驟之一。由于RDL具有直徑小于50μm的盲孔和節距范圍為50μm至20μm甚至更小的布線，因此通孔填充能力和均勻性仍然是該應用的主要挑戰。

銅柱凸點技術

隨著I/O密度的提高，傳統的焊料凸塊封裝工藝已經無法滿足使用需求。C2（Chip Connection）技術逐漸成為主流，與C4技術中的焊球相比，銅柱直徑不受高度影響，因此可以進一步縮小節距。銅柱凸點的主要制作工藝包括物理氣相沉積（PVD）、光刻、電鍍、蝕刻和回流焊。銅柱凸點技術不僅提高了互連密度，還提升了電氣性能和可靠性。

電鍍鍵合技術

電鍍鍵合技術是在兩個微結構之間進行互連或接觸的作用。使用這種電鍍鍵合工藝可以應用于芯片封裝。電鍍鍵合技術通過將兩個承載要連接的金屬結構的基板連接在一起，然后浸入電鍍溶液中并向通電層施加電勢，使金屬沉積在陰極并結合形成連接。多種金屬電鍍溶液可用于電鍍接合，包括Cu、Au、Ni、Ni/Fe和多種其他金屬。電鍍鍵合技術具有工藝簡單、成本低廉和可靠性高等優點，在先進封裝技術中具有廣泛的應用前景。

銅銅直接鍵合技術以其獨特的優勢，在先進封裝技術中占據了重要地位。在鍵合過程中，銅一直處于固態，不會產生外溢，可實現窄節距互連。銅具有低電阻率、強抗電遷移能力、快速導熱和優秀的機械性能等優點，同時具有良好的工藝兼容性和較低的成本。因此，銅銅直接鍵合技術可實現高密度、高可靠性的互連。