随着芯片互连尺寸从微米级走向亚微米级，以及3D堆叠层数的增加，对键合工艺的调控精度和理解深度提出了前所未有的要求。近日，在武汉召开的2026九峰山论坛期间，北京大学集成电路学院副院长、微米纳米加工技术全国重点实验室主任王玮，分享了“混合键合尺度微缩过程中微区应力驱动的界面行为探讨”的主题报告，深入探讨了混合键合在向更小互连尺寸（尺度微缩）发展过程中所面临的核心挑战与机理。系统性地揭示了隐藏在微区应力背后的、驱动键合成败的“隐形之手”，并为预测与调控这些行为构建了跨尺度的分析框架。
尺寸微缩，从“微米”到“亚微米”的转变
当前混合键合工艺正经历从“微米”到“亚微米”时代的变革。当互连节距从微米级向亚微米乃至纳米级演进时，传统的依赖金属（Cu）热膨胀力实现接触闭合的机制已逐渐失效。
对于大尺寸互连垫，其自身热膨胀产生的位移足以弥补键合初始间隙。然而，随着尺寸微缩，单个铜垫的热膨胀量变得极其有限（例如，从数纳米降至亚纳米级），仅凭膨胀已“力不从心”。此时，扩散机制跃升为主导。其驱动力源于微区应力梯度。由于铜与周围二氧化硅（SiO₂）介质的热膨胀系数不匹配，在退火加热时，被介质“窗口”约束的铜内部会产生显著的压缩应力。这种非均匀的应力分布（边缘与中心不同）形成了化学势梯度，从而驱动铜原子从高应力区向低应力区定向流动，最终填补间隙，实现金属界面的原子级融合。报告强调，理解并控制这种应力驱动的扩散过程，是未来亚微米键合工艺成功的关键。
微区应力是“功臣”也是“隐患”
混合键合工艺是跨尺度的界面工程，涉及原子级（nm） 扩散与反应、微区级（μm） 应力集中，以及宏观级（mm） 晶圆翘曲的复杂多尺度问题。尺度微缩过程中微区应力驱动金属原子扩散促进金属界面闭合，但同时也会在介质界面脱水缩合过程中出现更为严重的与键合强度增加相互排斥的竞争关系，构成了一组动态竞争的微观博弈。
研究通过仿真发现，在更高的退火温度或更小的互连节距下，剥离应力的增长可能超过介质界面强度的提升速度，最终导致界面开裂，造成电路短路或可靠性灾难。目前缺乏理想的微区应力直接测量手段（如常规应变仪、XRD、拉曼光谱均有局限）。仿真方面，传统的有限元模型难以精确模拟原子扩散和再结晶过程。
构建连接宏观与微观的“应力桥梁”
面对微米级局域应力难以直接测量的业界难题，以及宏观有限元仿真难以精确模拟原子扩散和界面反应的挑战，研究构建了基于跨尺度分析的仿真模型，通过分子相互作用、金属扩散与微区应力的物理关系式，规律性对比分析了金属界面和介质界面的行为，并探索了微区应力实验表征方法。报告指出，混合键合尺度微缩过程中微区应力是驱动界面变化的重要因素，且微区应力是构建宏观和微观关系的桥梁。
业内人士认为，对混合键合微缩过程中微区应力机制的深刻理解，是解锁未来超摩尔定律时代，实现芯片层数更多、互联密度更高、性能更强的3D集成系统的核心钥匙之一。谁能在纳米尺度的“应力博弈”中掌握先机，谁就将主导未来高性能芯片的封装技术高地。
报告显示，微区应力不仅是驱动界面演化（金属闭合、介质开裂）的根本驱动力，更是连接宏-微观多尺度行为的物理桥梁。未来工艺开发必须聚焦于应力的产生、调控与释放。尺度微缩是一把双刃剑，它通过增强应力梯度促进了金属的扩散闭合，有利于更小互连的形成；但同时也急剧放大了介质界面失效的风险。这意味着工艺窗口将变得更窄，控制要求更严苛。依赖传统单一尺度分析或“试错法”已无法满足需求。必须采用结合跨尺度仿真与创新微区表征（如内置PI传感器法） 的系统性方法，才能实现对下一代混合键合工艺的可靠设计与精准调控。未来工艺开发必须从追求单一参数优化，转向系统性地理解和调控“微区应力”。这要求设备商、材料商、晶圆厂与设计公司更紧密地协同，在工艺、材料和设计（如互连布局、缓冲结构）上进行共同创新。
