Cu-Cu直接键合通过使用高密度的直接金属互联替代传统的凸点焊接，显著缩小垂直互联所需的横向空间，使探测器阵列能够采用更小的像元间距，实现3.45μm小像元。
一、为什么传统InGaAs小像元难以实现？
传统InGaAs在连接感光层与读出电路时，依赖凸点焊接工艺，而凸点的尺寸和间距存在物理下限。像元越小，凸点越难制作，良率越低。对于采用传统凸点互连的InGaAs探测器，随着像元间距不断缩小，凸点尺寸、焊盘布局、相邻像元间距以及键合对准误差等因素会逐渐成为限制高密度互连的重要因素。
二、Cu-Cu直接键合
1. Cu-Cu直接键合是什么？
Cu-Cu直接键合，又称Cu-Cu混合键合，是一种无需焊料、无需胶粘剂的芯片堆叠互连技术。其核心方法是将两个芯片表面的铜焊盘和介质层同时键合，介质层与介质层之间键合,铜与铜之间形成金属键合，在两个芯片之间形成高密度的垂直互联。
基本结构为通过高平整度、低粗糙度的芯片表面实现精确对准和预键合。介质层在接触后形成初始键合，而铜焊盘则在后续热处理中发生界面扩散和微观结构演化，使两侧铜层形成连续、低电阻的金属互连。
因此，Cu-Cu混合键合并不是传统意义上的“焊料熔融”，而是依赖高质量界面、精确对准以及后续热处理形成可靠的金属-金属连接。
2. Cu-Cu直接键合为什么有利于实现更小像元？
Cu-Cu混合键合的核心优势，并不只是换了一种连接材料，而在于它改变了芯片之间的互连结构。传统凸点互连需要在两个芯片之间布置具有一定尺寸和高度的凸点，而Cu-Cu混合键合采用平面化的金属焊盘实现垂直互连，可以显著提高单位面积内的互连密度。
3. 与传统铟凸点焊接有什么区别？
| 维度 | Cu-Cu直接键合 | 铟凸点焊结 |
| 连接材料 | 铜（Cu）金属 | 铟（In）焊料 |
| 连接方式 | 直接金属键合及后续热处理 | 焊料熔融 |
| 最小像素间距 | 可低至3.45μm | ~10μm |
| 互联形式 | 互连结构更加紧凑 | 凸点结构 |
| 空间占用 | 仅需铜焊盘区域 | 凸点及间隙 |
| 热性能 | 铜具有较高热导率 | 受到材料和结构影响 |
从小像元发展角度看，Cu-Cu混合键合最重要的意义在于：通过更加紧凑的垂直互连结构，提高探测器芯片与ROIC之间的互连密度，从而为更小像元pitch提供工艺支撑。
三、Cu-Cu键合技术的产品化成果SWIR033AU
阿秒科技SWIR033AU采用索尼IMX993 SenSWIR芯片，该芯片使用Cu-Cu直接键合技术，实现3.45μm像元尺寸和2048×1536分辨率。在相同有效成像面积和其他条件相近的情况下，更小的像元能够在阵列中集成更多像元，从而获得更高的空间采样密度；反过来，在满足相同像元数量的情况下，也有利于缩小焦平面阵列尺寸。对于半导体检测、激光光束分析、材料分选和科研成像等高精度场景，SWIR033AU代表的是看得更细、更准，同时装得更小的短波红外成像方案。
四、总结
Cu-Cu混合键合通过高密度、细间距的垂直互连，为SWIR探测器向3.45 μm级小像元发展提供了重要技术支撑。随着探测器材料、ROIC、键合工艺和封装技术进一步协同优化，小像元SWIR成像将在高分辨率、紧凑型工业视觉和科研成像领域获得更广泛应用。
参考文献：
- 于春蕾, 龚海梅, 李雪, 黄松垒, 杨波, 朱宪亮, 邵秀梅, 李淘, 顾溢. 2560×2048元短波红外InGaAs焦平面探测器（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210941. Chunlei Yu, Haimei Gong, Xue Li, Songlei Huang, Bo Yang, Xianliang Zhu, Xiumei Shao, Tao Li, Yi Gu. 2560×2048 short-wave infrared InGaAs focal plane detector (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(3): 20210941.
- J.Park,J.Kim,M.Jang and H.Chung.An atomistic investigation of grain-size-dependent Cu-Cu interfacial void reduction in hybrid bonding[C]. IEEE International Conference, 2025.
- Manda S, Zaizen Y, Hirano T, et al. High-definition visible-SWIR InGaAs image sensor using Cu-Cu bonding of III-V to silicon wafer[C]. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2019.
- Sony Semiconductor Solutions. Short-Wavelength InfraRed Image Sensor Technology SenSWIR™[EB/OL].