www.188betkr.com 讯在后摩尔时代，随着芯片制程逼近3nm以下物理极限，依赖制程微缩提升性能的边际效益急剧下降。三维集成技术通过将芯片从二维平面扩展为立体堆叠(“平房”向“高楼大厦”演进)，成为延续性能增长的核心方向。在三维集成技术中，键合工艺是构建“芯片高楼”的直接核心，也是玻璃基封装技术的难点和痛点，键合技术需同时满足物理连接强度、电学可靠性及异质材料热匹配等严苛要求。
目前玻璃基键合技术已形成多技术路线并行发展的格局，热压键合、阳极键合与超高真空表面活化室温键合是其中的主流方向，各技术在原理、性能与应用场景上各有特点，也面临不同挑战。
热压键合
热压扩散键合凭借热物理耦合作用实现界面原子级互扩散，成为玻璃基三维封装的成熟技术，广泛应用于MEMS器件、光电器件与微流控芯片封装。其工艺核心在于高温与压力的协同作用，将玻璃基板加热至400°C-700°C，同时施加压力，使玻璃表面化学键重排，羟基（Si-OH）脱水后形成坚固的Si-O-Si键，实现玻璃-玻璃或玻璃-硅的紧密粘接。
不过，热压键合面临两大核心问题：一是不同材料热膨胀系数不匹配引发的热应力，易导致封装器件失效；二是高温高压条件对敏感组件的损伤风险。为解决这些问题，业界开发了玻璃熔块粘合与聚合物键合两种改进方案。玻璃熔块粘合以低熔点熔块为中间层，在较低温度下软化实现粘接，兼顾键合强度与气密性；聚合物键合则利用BCB、PI、PMMA等材料的表面适应性，通过热压使聚合物分子与基底形成原子级作用，范德华力可支撑超过40MPa的机械强度。
BCB介质与铜互连工艺 来源：Hsiao. Cu/BCB hybrid bonding with TSV for 3D integration by using fly cutting technology
阳极键合
阳极键合（又称电场辅助键合）由Wallis与Pomerantz于1969年提出，通过热场与电场协同驱动玻璃中碱金属离子迁移，实现玻璃与金属、半导体的原子级键合。典型工艺中，玻璃-硅体系在300-500℃下施加500-1500V直流电场，钠离子（Na+）向阴极迁移形成10-50μm钠耗尽层，产生超过10MPa的静电吸引力，同时氧阴离子扩散至硅表面，生成2-5nm非晶态氧化硅过渡层，最终通过Si-O-Si共价键实现高强度结合。该技术可完成玻璃与硅、碳化硅、金属的异质键合，但无法直接实现玻璃-玻璃键合，需借助中间层突破限制。Cheng等以SiC为共阳极实现玻璃-SiC-玻璃键合，获得约12.8MPa的最大抗拉强度；Koebel等人开发的活化液体锡焊料阳极键合（ALTSAB）工艺，通过向锡焊料中添加铝，显著提升了键合强度。
活化液体锡焊料阳极键合工艺 来源：Koebel.Optimized solder alloy for glass-to-metal joints by simultaneous soldering and anodic bonding
实际应用中，阳极键合面临三重挑战：一是金属离子迁移形成的枝晶结构会引发高频下的寄生电容与介电性能劣化；二是表面粗糙度导致电场畸变，易诱发微放电与界面分层；三是高温（>350℃）与高压电场与CMOS工艺不兼容，可能损伤晶体管栅氧化层。尽管如此，其高气密性与工艺简捷性使其在MEMS陀螺仪、硅-玻璃电容压力传感器及真空微腔封装中仍占据不可替代的地位，需通过精确调控电压与温度平衡性能与风险。
超高真空表面活化室温键合
为消除传统热键合的热应力问题，超高真空表面活化室温键合技术应运而生。该技术是在超高真空环境下，以高能离子束轰击键合表面，剥离污染物、刻蚀氧化层并诱导表层原子化学态重构，暴露高活性亚稳态原子层，室温下物理接触即可形成高强度化学键合，有效避免热应力引发的界面失稳。
表面活化键合机理 来源：《表面活化室温键合技术研究进展》（张洪泽等）
不过，该技术对SiO2表面活化效果不佳，离子轰击难以激活SiO2表面。针对这一缺陷，业界提出引入纳米过渡层的解决方案：通过物理气相沉积构建纳米级中间层，将基板间键合转化为过渡层间的冶金结合。KONDOU研究组的创新工艺极具代表性，其在超高真空环境下原位溅射沉积纳米Si(Fe)复合层，同步完成过渡层沉积与表面活化，成功实现SiO2-SiO2异质界面的室温键合，优化后界面强度与单晶硅本体强度相当，为SiO2基材料封装提供了可行路径。
综上，玻璃基键合技术各路线均在不断突破性能瓶颈，热压键合向低温化、低应力方向改进，阳极键合聚焦工艺兼容性优化，表面活化室温键合则持续拓展适用材料范围。未来随着三维封装对集成密度与可靠性要求的提升，各技术的融合与创新将成为重要发展方向，推动玻璃基键合在更广泛领域的应用。
参考来源:
傅觉锋.玻璃基低温激光键合技术及垂直互连研究
钟毅.芯片三维互连技术及异质集成研究进展
张洪泽.表面活化室温键合技术研究进展
Hsiao. Cu/BCB hybrid bonding with TSV for 3D integration by using fly cutting technology
Koebel.Optimized solder alloy for glass-to-metal joints by simultaneous soldering and anodic bonding
(www.188betkr.com 编辑整理/月明)
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