Hybrid Bonding到来前，还有一种封装能为HPC续命

上篇文章，我们谈到了K&S（Kulicke & Soffa）面向mini LED与micro LED的激光转移技术，及Luminex设备。实际上，这家公司作为半导体上游设备/装备供应商，还有个强项在先进封装技术上——今年SEMICON China上，在先进封装技术上秀肌肉的厂商还真是不少，即便大家的发力点及在供应链上所处的位置可能不同。

如前文提到的，K&S作为半导体设备供应商，技术和产品不仅在先进封装上，如球焊、楔焊等都属于其业务范围——K&S在这个领域本身就已经相当知名。展会期间，K&S还特别发布了新一代球焊机（POWERCOMM与POWERNESS）和数款耗材产品。不过我们还是更关心K&S在先进封装技术上的储备，和未来的规划。

这就要谈到K&S拿手的fluxless TCB技术了。要知道华为就曾在手机芯片上尝试过TCB工艺。

Kulicke & Soffa执行副总裁兼总经理 张赞彬

先谈谈TCB热压

过去一年，我们谈到过不少先进封装技术，从flip chip芯片倒装，到hybrid bonding混合键合。台积电、Intel、三星、日月光的先进封装技术，我们多少都有触及。

不过从相对底层技术的角度来说，TCB（Thermo-Compression Bonding）热压键合倒真的没怎么聊过。其实Intel对于TCB技术的采用算得上痴迷。而且在包括HBM存储互联与封装上，TCB也用得不少。就普罗大众所知的终端角度，华为、高通其实也都在手机芯片上用过TCB。

未来有机会，我们会专门撰文来谈一谈TCB技术，毕竟据说Intel后续要推的Foveros Omni封装技术中，TCB将占据很重要的位置。这篇文章，我们暂且稍微谈一谈TCB工艺。其实TCB技术上游设备供应商的市场玩家主要就三家，而K&S就是其中之一。

如果不了解先进封装，及封装技术从传统封装到先进封装的进化史，建议先阅读这篇文章《先进封装时代，那些传统OSAT封测厂怎么办？》。而要了解TCB，首先还是要搞清楚flip chip——《从Intel 4004聊到苹果M1：聊聊摩尔定律的续命》一文详细解释了flip chip的流程，建议阅读。

常规的flip chip封装流程，有这样一步：封装在回流焊炉（reflow oven）加热到一定温度，致焊料熔化来完成键合，后续会有移除助焊剂（flux）残留之类的步骤，如下图——留意这里的“flux”助焊剂，后文还会提到。

这套流程有个比较大的问题，即不同材料的CTE热膨胀系数是不同的。在回流焊炉加热的时候，不同材料的膨胀程度就会有差异，就可能导致翘曲（warpage）之类的问题；焊球也可能无法充分接触铜垫；die也可能做不到平整放置...这些问题加起来，都可能导致芯片电特性变差或无法正常工作。

TCB则能够很好地解决这类问题：一般TCB键合会用单独的工具放置die，并施加压力，然后加热来做锡球的回流焊。加热仅应用于芯片顶部，加热的也就只有芯片和C4焊球。这样一来也就极大程度缓解了基板（substrate）翘曲问题，施加压力也确保了die能够平整放置、连接充分接触。另外据说TCB流程中的快速震动，是可以很大程度避免空隙与污染的。

相比于一般的flip chip，相同IO pitch，TCB能够达成更好的电特性，也就能做更小的pitch；另外还能做到更薄的封装。当然TCB相比一般flip chip，也有弱势，当然就是吞吐和成本。不过这不是本文要探讨的重点。

fluxless TCB把互联间距做到10μm

从K&S的产品路线图来看（下图），除了hybrid bonding混合键合设备尚在研发中，这家公司在flip chip、TCB封装工艺上都有对应的设备产品——而且在TCB之后，还有个“fluxless TCB”，直译中文应该叫“无助焊剂TCB”。K&S在宣传资料中直接称其为Fluxless Bonding，无助焊剂键合——也就是过程中不需要助焊剂。

而且从flip chip到fluxless TCB，IO pitch也是在逐渐缩小的，从100μm一路到70μm、50μm、20μm...这里的fluxless TCB是可以达成更小的互联间距和精度的。

Kulicke & Soffa执行副总裁兼总经理张赞彬告诉我们，“甲酸fluxless bonding两年前已经开始量产。我们在这上面花了很多时间，因为它的密度比普通需要flux（助焊剂）的TCB方案更密。这几年疫情中，我们已经把这项技术做得很成熟，也已经有了一个大客户。”

据说这种fluxless TCB方案已经在HPC领域一展拳脚。我们猜测大概这个“大客户”是Intel或日月光：Intel在TCB方面的技术需求格外强烈；而日月光对于甲酸带来fluxless方案有着很大的兴趣和需求。张赞彬说，K&S的TCB技术主要用于chiplet和HI（异构集成）。

比较有趣的是，K&S倒是没有拿fluxless TCB和普通的TCB比较，而是和更高端定位的hybrid bonding去比，提到fluxless TCB在工艺流程上比hybrid bonding明显更复杂，并分析了双方的利弊：

“对于传统的backend（后道）工厂，hybrid bonding的投资会非常大。”张赞彬说，“Hybrid bonding加了很多新的工序，因此成本非常高。所以并不是每一家都能做hybrid bonding。”

实际就我们的观察来看，基于hybrid bonding对于前道到后道结合更紧密的技术需求，一般传统的OSAT封测厂的确是很难参与到这么高端的技术了，这一点我们在前不久的分析文章里也提过。所以这部分现阶段也仅有台积电、Intel这样有前道fab的厂商在做。

更重要的是K&S认为fluxless TCB未来能够将IO pitch推进到10μm——“10μm可以解决大部分HPC的问题了。”而且“2.5D、3D封装都可以用TCB的方法来做”。

下面还有两则fluxless TCB与hybrid bonding的比较图，分别是工艺成本和良率：尤其在大die下的对比，双方现阶段的性价比差距还是比较遥远，似乎仅是前道洁净间（front-end cleanliness）的要求，OSAT封测厂都很难做到。毕竟hybrid bonding现在也只有台积电才真正在用——AMD的3D V-Cache芯片卖得那么贵，也就可以理解了。

无助焊剂的实现

还有个问题没解决，就是所谓的“无助焊剂”究竟是怎么实现的。实际上针对这个自动化过程，张赞彬给我们演示了一个动画，似乎简单的文字描述很难将其说清楚。虽然全套流程在此无法演示，不过大致原理是基于在流程中用甲酸（formic acid）来实现所谓的fluxless。

前文谈到过传统flip chip的流程用了助焊剂之后，最终都是需要将助焊剂去除的。从直觉来看，无助焊剂的一大价值自然在于没有了助焊剂残留（residue）的问题——从K&S的介绍来看，这的确是fluxless TCB的优越性之一。

“用了甲酸之后，不需要flux，就消除了氧化的问题。而缓解氧化的问题，IO密度就能做得更高。”张赞彬解释说，“因为氧化会产生污染（contamination），污染就造成了良率问题。”

到具体的产品上，就是K&S的APTURA，如下图所示。其中涉及到装载甲酸、蒸汽输送、安全等在内的诸多自动化系统。尤其张赞彬介绍说这套方案在全球各地通过了一大堆的安全认证——到现如今“已经成熟了”。本文对具体产品就不多做介绍了。

不过这套系统有个亮点，就是对客户原有TCB封装基础设施只需要做升级即可，而不用全部换新。这对K&S的原有客户而言应该是个好消息。“升级的门槛就会比较低，而全新工艺流程的挑战总是比较大的。”张赞彬说，“这方面我们积累了大概7年的经验。”

最后值得一提的是， K&S在这套封装方案下已经尝试过copper-copper互联，“用铜跟铜，我们已经证明可以做到——不用胶、不用锡膏（solder），借助high force能够做得到。”

听起来倒是和hybrid bonding的铜键合有那么点相似的意思。Fluxless TCB借助copper-copper，“hybrid bonding的采用还可以再延后”，因为去掉锡球以后，能让封装厚度进一步减少，而且似乎电特性也会更好。张赞彬说，是成本和封装厚度的同时降低。

或许这对die之间的3D堆叠会有更大的价值。“2.5D、3D，TCB还是能用的到，因为大部分HPC还不需要hybrid bonding。”据说现有客户需要对此所做的生产设施改动也很小。虽然张赞彬并未提及这种copper-copper方案的TCB已经达成了多高的良率，以及量产情况如何，但听起来的确是很有前景的方案。

当然K&S本身也在开发hybrid bonding，但至少他们认为现阶段fluxless TCB是可以解决大部分问题的，而且从这些产品成果来看，K&S还在持续挖掘TCB的潜力。我们可以等一等看K&S接下来的营收变化，即可了解未来1-2年是否会有更多基于TCB工艺封装的产品上线，即可了解它现阶段与hybrid bonding的对垒情况如何。