銅混合鍵合的發展與應用（二）：商業化應用

混合鍵合的最大特色是晶片對外連接金屬墊（metal pad）的尺度是「半導體製程級」的。相較於之前用於中介板的微凸塊（microbump）間距40um，混合鍵合的鍵合間距可以小達1~2um，限制尺寸的原因主要來自於對齊的精確程度，還有進一步改善的空間。

這樣的鍵合間距代表每平方公分晶片面積可以承擔百萬個連結，這比任何既存的封裝方式都有幾個數量級的提升。

連線鍵合數目愈多意味著2個晶片之間容許更高頻寬的溝通，有利於平行運算，也容許較高電流。功能模組之間的連線也較尋常方式為短，所以速度快、噪音低、功耗也較小。另外混合鍵合本來就是異質整合、3D堆疊先進封裝中的一種方法，所以二者的優點也自然都有。

商業應用混合鍵合的半導體產品，首先是 Sony的CIS。CIS有幾個組成部分：畫素陣列（pixel array）、類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter；ADC）、影像訊號處理器（Image Signal Processor；ISP）。畫素陣列基本上是1層多晶矽（polysilicon）與5層金屬的製程；ADC與ISP則是1層多晶矽與10層金屬的製程，二者的製程差距甚遠，符合「異質」特徵，應該分別製造。二者的3D晶片堆疊還能縮小鏡頭尺寸，所以Sony早在2016年就將分別製造的畫素陣列晶圓與ADC+ISP晶圓混合鍵合，替代原來在同一晶片的設計製造。

由於混合鍵合大幅增加金屬連線密度，使得ADC可以平行處理畫素，大幅提升畫面處理的能力，譬如全域快門（global shutter）、影片的每秒幀數（frame per second）等。目前的設計趨勢是向每個畫素都有獨立的ADC方向邁進。

進一步的工作是將DRAM也加入CIS的3D堆疊，做為畫素處理的緩衝記憶體（buffer memory）。Sony和三星電子（Samsung Electronics）都有此設計，只是DRAM堆疊位置不一。影像在車輛的應用，譬如用來偵測前方物件距離的時差測距（Time of Flight；ToF）的單光子雪崩探測器（Single Photon Avalanche Detector；SPAD）；或在工業的應用，譬如機器視覺（machine vision），都可能需要再加入能執行邊緣計算（edge computing）晶片。CIS啟動混合鍵合的商業應用，歷史較長，較長遠的應用規劃也漸入視野。

另外一個也進入商業量產的應用是3D NAND。平面NAND的記憶體細胞陣列（memory cell array）與其他邏輯線路-包括微控制器（microcontroller）、位址寄存器（address register）等，是放在同一晶片上的。

3D NAND 的記憶體細胞陣列持續往3D方向堆疊，但是邏輯線路上方卻空無一物，嚴重浪費珍貴的晶片房地產（real estate）。

所以長江儲存首先以XtackingTM技術將邏輯線路部分以混合金鍵合方式置於記憶體細胞陣列之下，大幅提高晶片房地產使用效率。其他公司後來也採取類似方法。不過在此例中，金屬墊的密度不需要特別的高。