Ikatan Hibrida Suhu Rendah menjungkirbalikkan batasan penumpukan IC 3D: Struktur Cu/SiO₂ yang terkunci dan kuat memicu generasi HBM4

低溫 Hybrid Bonding 如何顛覆 3D IC 堆疊極限

1. Mengapa Ikatan Hibrida merupakan satu-satunya cara untuk melanjutkan Hukum Moore?

Saat penskalaan moiré tradisional mendekati hambatan fisiknya dan biaya proses melonjak, integrasi heterogen 3D dipandang sebagai generasi emas berikutnya. Ikatan Hibrida menggabungkan lubang tembus tembaga-tembaga dan ikatan oksida-oksida menjadi satu, mencapai interkoneksi vertikal **<10 µm** atau bahkan sub-mikron tanpa bergantung pada tonjolan solder. Jalur sinyal yang lebih pendek dan penundaan RC yang lebih rendah sangat menarik untuk memori bandwidth tinggi (HBM) yang diperlukan untuk AI/HPC.

Sony menjadi yang pertama memproduksi massal sensor gambar CMOS pada tahun 2016, diikuti oleh imec, TSMC, Intel, Samsung, dan lainnya, yang kemudian mendorong teknologi tersebut ke HPC dan chip memori.

低溫 Hybrid Bonding 顛覆 3D IC 堆疊極限

2. "Lock and Key": Design Thinking yang Didirikan oleh IBM

Ikatan Hibrida "Kunci dan Gembok", Pelajari dalam Satu Menit

elemen	Peran	memengaruhi
Bantalan tembaga atas/kolom tembaga	Kunci	Memberikan struktur terangkat untuk konduksi dan fiksasi listrik
Lubang polimer lapisan bawah (PI atau SiO₂)	Kunci	Sedikit lebih besar dan lebih fleksibel, berisi dan mengunci kolom tembaga

1. Masukkan dulu

   • Setelah dua wafer sejajar, pilar tembaga ditekan ke dalam lubang polimer, seperti kunci yang dimasukkan ke dalam gembok.

2. Kunci lagi

   • Selama proses penekanan panas pada suhu sekitar 400 °C, polimer melunak dan berubah bentuk untuk sementara waktu, sehingga pilar tembaga dapat terpasang dengan sempurna.

   • Setelah pendinginan, polimer memantul kembali dan kolom tembaga "menempel" dengan erat, menggabungkan kekuatan mekanis dan resistansi rendah .

3. Manfaat

   • Dapat mengimbangi ketidakrataan permukaan dan menghindari celah akibat benturan keras.

   • Tanpa tonjolan solder, jarak interkoneksi dapat didorong ke arah 10 µm atau bahkan sub-mikron.

Singkatnya: Gunakan "lubang kunci" polimer lunak untuk menampung "kunci" tembaga, dan ubah bentuknya pada suhu tinggi untuk mendapatkan ikatan vertikal 3D yang presisi, andal, dan berdaya tahan rendah.

3. Pertempuran suhu rendah: Lapisan pasivasi logam memungkinkan ikatan bahkan pada suhu 40 °C

Mengapa “lapisan pasivasi logam” dapat mengurangi suhu ikatan Cu-Cu hingga 40 °C?

1. Tahan terhadap oksigen namun tidak tahan terhadap tembaga

   • Tembaga akan cepat membentuk lapisan oksida saat bersentuhan dengan udara. Lapisan "karat" ini mencegah atom-atom tembaga berdifusi satu sama lain, sehingga ikatan Cu-Cu tradisional perlu dipanaskan hingga 300-400 °C untuk menembus lapisan oksida.

   • Pertama , lapisan sangat tipis (≈10 nm) dari emas, perak, paladium atau titanium inert disepuhkan pada permukaan tembaga, yang seperti memberi lapisan kedap oksigen pada tembaga - oksigen tidak dapat masuk, tetapi batas butiran pada film logam tetap merupakan "saluran retak" untuk atom tembaga.

2. Ikatan suhu ruangan, anil suhu rendah

   • Setelah dua wafer tersebut sejajar, mereka dapat "direkatkan" bersama-sama pada suhu ruangan ~40 °C (ikatan primer);

   • Setelah itu, hanya diperlukan pemanasan singkat pada suhu ≤150 °C , dan atom tembaga menembus sepanjang batas butir ke sisi yang berlawanan, melengkapi kontinum logam yang padat - sepenuhnya menghindari lengkungan dan tekanan yang disebabkan oleh suhu tinggi.

3. Keunggulan suhu rendah sekaligus

   • Dekompresi/pelengkungan : Perbedaan suhu kecil dan wafer tidak mudah berubah bentuk.

   • Lindungi komponen BEOL : Sirkuit hilir, lapisan dielektrik, dan transistor canggih tidak perlu lagi mengkhawatirkan anggaran termal 400 °C.

   • Pengurangan ukuran tanpa rasa sakit : Film hanyalah pelapis dan tidak mengubah struktur butiran tembaga itu sendiri, sehingga tetap dapat diaplikasikan meskipun pitch-nya dikurangi lebih jauh.

Singkatnya, lapisan pasivasi logam = lapisan anti karat tembaga + jalan raya atom , membebaskan ikatan Cu-Cu dari kendala suhu tinggi, dan mampu "menempel dengan kuat dan cepat" bahkan pada suhu 40 °C, menjadi senjata utama bagi ikatan hibrida untuk mengatasi penumpukan HBM lapisan tinggi.

JAWABAN. Tembaga Bertatahkan dan DBI: Dari Dilema hingga Inspirasi

Damascene Cu dan konsep inti DBI — dua hal yang perlu dipahami dengan bahasa yang mudah dipahami

Skenario	Imajinasi sederhana	Terobosan kunci
Dilema: Depresi pada permukaan tembaga bertatahkan	Setelah tembaga diisi ke dalam "parit" lapisan oksida silikon, permukaannya menjadi sedikit cekung (sekitar 20-50 nm). Bila dua wafer diikatkan, SiO₂ yang lebih keras akan bersentuhan terlebih dahulu, tetapi tembaga yang tersembunyi belum bersentuhan → hasil rendah.
Inspirasi: DBI (Direct Bond Interconnect)	Pertama, biarkan lapisan oksida "menempel" ke lapisan oksida pada suhu ruangan (seperti menempelkan selotip), lalu anil pada suhu 400 °C. Karena ekspansi termal tembaga lebih besar daripada SiO₂, saat dipanaskan, tembaga akan "menggembung" dan secara otomatis mengisi lekukan , yang akhirnya membentuk ikatan tembaga-tembaga yang erat.	- Tidak ada tekanan tinggi, tidak ada vakum , waktu proses singkat- Tembaga tidak perlu disejajarkan sepenuhnya terlebih dahulu, toleransi tinggi untuk produksi massal

Singkatnya dalam satu kalimat: pertama-tama ikat lapisan oksida lalu biarkan tembaga mengembang untuk mengisi celah , dan masalah awal "cekungan tembaga yang sulit diikat" telah berubah menjadi teknologi ikatan hibrida DBI dengan hasil tinggi dan hasil tinggi.

5. Mengapa HBM4 memerlukan Ikatan Hibrida?

Generasi	Hamparan	Jumlah I/O	Lebar pita antarmuka	Keterlibatan Arus Utama	Hasilkan titik nyeri
HBM3E	12-Hai	tahun 2048	1,5 TB/detik	TC-Benjolan	Terobosan 12-Tingkat Kesulitan Tinggi
HBM4	16-Hai	4096	2 TB/detik	Ikatan Hibrida	Bump Pitch kurang dari 20 µm, deformasi dan rongga meningkat secara dramatis
HBM5	20-Hai	>4096	>2 TB/detik	Hibrida Esensial	TC-NCF tidak dapat diperkecil lagi

• Pitch Interkoneksi : Dari 40-25 µm hingga di bawah 10 µm

• Integritas sinyal : kunci dan papan tombol terhubung langsung, mengurangi parasit hingga 30-40%

• Persyaratan penipisan : Tidak ada benjolan, mengurangi ketebalan tumpukan menjadi 775 µm (masih memenuhi standar JEDEC setelah relaksasi)

• Disipasi panas : Kontinuitas tembaga-tembaga meningkatkan difusi panas, yang bermanfaat untuk modul GPU AI berdaya tinggi

6. Tantangan dan Prospek: Menuju Ekosistem Chiplet

• Akurasi Penyelarasan vs. Produktivitas Tingkat Panel : Cara Mempertahankan Hasil Ikatan >90% pada Pitch 0,5 µm

• Manajemen termal : Ikatan pitch halus akan menyebabkan konsentrasi fluks panas lokal, memerlukan integrasi saluran mikro atau heat sink berlian CVD

• Desain rantai alat : EDA harus mempertimbangkan kopling listrik-termal-mekanik

Hybrid Bonding bukan lagi sekedar langkah pengemasan, tetapi merupakan derajat kebebasan dalam desain arsitektur . "Kunci dan gembok" Cu/SiO₂ suhu rendah mengatasi dua masalah utama yaitu anggaran termal dan tekanan mekanis, menjadikan HBM4 dan penumpukan memori lapisan lebih tinggi menjadi kenyataan, dan membuka jalan bagi produksi massal CPU/GPU server berbasis chiplet dalam skala besar.

Bagian VII. Kesimpulan: Hybrid Bonding adalah kunci baru untuk menembus batas

Ikatan Hibrida Suhu Rendah membuka pintu berikutnya ke 3D IC dengan "kunci". Ketika interkoneksi tembaga-tembaga tidak lagi dibatasi oleh suhu, depresi, dan oksidasi, ketika pitch turun ke tingkat nanometer dan jumlah lapisan melebihi 20 Hi, akselerator AI masa depan, memori skala ultra besar, dan SoC heterogen akan tersedia dengan kepadatan dan efisiensi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Bagi rantai pasokan Taiwan, siapa pun yang dapat menguasai proses suhu rendah, kontrol penyelarasan, dan peralatan produksi massal paling cepat akan memegang "kunci utama" untuk mempercepat evolusi HBM4—dan bahkan seluruh ekosistem chiplet.