（文/姜羽桐）自初代HBM問世以來，已迅速發(fā)展至第六代產(chǎn)品（HBM4），尤以近年來迭代最為劇烈。
數(shù)據(jù)顯示，今年HBM出貨量將同比增長70%，需求空前高漲。但不是所有的HBM都會被青睞，在英偉達(dá)等算力提供商及相關(guān)存儲廠商路線計劃中，2025年的榮光屬于HBM4：SK海力士率先推出12層樣品；三星表態(tài)下半年生產(chǎn)尖端的HBM4；美光亦或?qū)BM4的推出時間定在今年。
在搶占市場的誘惑下，盡快制造HBM4變得迫在眉睫。而隨著堆疊層數(shù)的攀升，HBM4最艱難的部分是要滿足JEDEC（固態(tài)技術(shù)協(xié)會）制定的775μm厚度標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)很難完成，這要求存儲廠商必須慎重地選擇路線方案——是無助焊劑鍵合（Fluxless Bonding），還是混合鍵合（Hybrid Bonding）？
巨頭“捍衛(wèi)”775 μm，16層堆疊艱難重重
2024年，存儲產(chǎn)業(yè)傳來一則消息——“制定HBM4標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC（固態(tài)技術(shù)協(xié)會）正商榷打算放寬HBM4封裝厚度，由720 μm增至775 μm。”據(jù)說，在那場制定標(biāo)準(zhǔn)的討論中，SK海力士、三星電子和美光堅持775 μm，英偉達(dá)、AMD也接受了該建議。
存儲三巨頭堅決“捍衛(wèi)”775 μm的主要原因是，進(jìn)入HBM4時代，傳統(tǒng)技術(shù)已無法在720 μm的限制下實現(xiàn)16層堆疊，它們需要爭取時間和空間。
過去，HBM通常利用TSV、微凸點和熱壓鍵合技術(shù)實現(xiàn)多層DRAM顆粒的垂直堆疊與互連以制備存儲器芯片，各大存儲廠商的辦法略有不同——SK海力士采用MR-MUF技術(shù)，該技術(shù)在每次堆疊DRAM時，會通過加熱進(jìn)行臨時連接，最終在堆疊完成后進(jìn)行一次回流焊以完成鍵合，隨后填充環(huán)氧樹脂模塑料（EMC），使其均勻滲透到芯片間隙；三星電子、美光則使用TC-NCF技術(shù)，在各層DRAM之間嵌入NCF（一種非導(dǎo)電膠膜），并通過熱壓鍵合（TCB）從上至下施加熱量和壓力，NCF在高溫下熔融，起到連接凸點并固定芯片的作用。
圖片 / HBM內(nèi)部結(jié)構(gòu)
想要控制封裝厚度，從物理角度講有兩個辦法，一是基于現(xiàn)有的互聯(lián)技術(shù)，將每個DRAM層磨薄，但不可靠；二是從DRAM層與層之間從互聯(lián)的填充物方面下手。傳統(tǒng)倒裝芯片鍵合中，通常使用助焊劑清理DRAM Die表面氧化層，保證鍵合過程中機械和電氣連接不會受到氧化層影響。但是，殘留的助焊劑又將擴大各Die之間的間隙，因此成為擺在工程師面前一道嚴(yán)峻的問題。
集微網(wǎng)向提供先進(jìn)封裝設(shè)計、測試開發(fā)等技術(shù)服務(wù)（解決方案）的普賽微科技征詢，COO喻濤介紹：“隨著HBM的迭代，微凸點間距通常在40μm以下，這對助焊劑清洗帶來不小的挑戰(zhàn)。助焊劑的殘留可能與觸點處的錫帽（Solder Cap）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在塑封料填充時產(chǎn)生缺陷對后道組裝工藝產(chǎn)生不確定因素。”殘留物還將引發(fā)堆疊間隙增大、熱應(yīng)力集中等問題。
特殊節(jié)點的召喚，無助焊劑鍵合登場
當(dāng)助焊劑的缺點在先進(jìn)封裝工藝中變得越來越明顯，開始妨礙半導(dǎo)體公司“賺錢”時，無助焊劑鍵合技術(shù)便得到存儲廠商青睞。就目前而言，該技術(shù)在HBM，尤其HBM4封裝過程中具有無可比擬的三大優(yōu)勢：
一、無助焊劑鍵合技術(shù)可有效緩解大尺寸、微凸點節(jié)距芯片的助焊劑殘留問題，提高產(chǎn)品的長期可靠性；
二、熱壓鍵合時，易揮發(fā)的助焊劑在高溫下會形成蒸汽，進(jìn)而污染鏡頭，將嚴(yán)重影響對位精度。而無助焊劑鍵合技術(shù)可減小工藝過程對機臺鏡頭的影響，提升對位精度；
三、縮小堆疊芯片之間的間隙，增加堆疊層數(shù)，縮小堆棧的整體厚度。
無助焊劑鍵合技術(shù)的優(yōu)點固然多，但喻濤認(rèn)為，從未來技術(shù)發(fā)展趨勢來看，該技術(shù)亦存在較大局限性：一方面，HBM4接口寬度從每堆棧1024位增加到每堆棧2048位，接口的大小和間距進(jìn)一步縮小到μm級別，從鍵合密度上看目前無助焊劑鍵合技術(shù)難以滿足高密度互連需求；另一方面，熱壓鍵合技術(shù)依靠微凸點實現(xiàn)芯片的片間鍵合，芯片間需要預(yù)留30～40μm的高度以確保NCF或MUF/CUF等底填料的填充，這仍將導(dǎo)致堆棧的總厚度急劇上升，難以實現(xiàn)更高層數(shù)的堆疊。
這并未阻擋存儲三巨頭對無助焊劑鍵合技術(shù)應(yīng)用于HBM4的極大熱情。去年11月就有韓國媒體指出，三星電子、SK海力士、美光均對在下代HBM4內(nèi)存中采用無助焊劑鍵合技術(shù)感興趣，正進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。美光在與合作伙伴測試工藝方面最為積極，SK海力士考慮導(dǎo)入，三星電子也保持密切關(guān)注。
但由于存儲廠商在傳統(tǒng)HBM芯片鍵合技術(shù)上的區(qū)別，無助焊劑鍵合技術(shù)尚需謹(jǐn)慎評估。此外，無焊劑還是一種主要應(yīng)用于MR-MUF的技術(shù)，這對于使用TC-NCF技術(shù)的玩家不夠友好，它們需要改變整個設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施才能實現(xiàn)。據(jù)了解，無助焊劑鍵合設(shè)備主要包括熱壓鍵合機、共晶鍵合機、激光輔助鍵合機等。目前國外廠商占據(jù)大部分市場份額，包括K&S、ASMPT、SET、PALOMAR等；國內(nèi)設(shè)備廠商雖然有不錯的進(jìn)展，但仍存在差距。
存儲巨頭態(tài)度微妙，混合鍵合暫“擱置”
作為HBM鍵合技術(shù)強有力的“競爭者”，無助焊劑鍵合技術(shù)雖然暫時解決了存儲廠商面對16層HBM4這一重要節(jié)點的憂慮，并進(jìn)入“評估階段”，但其命運可以用兩句話形容——過去用不到，今后用不著。未來隨著HBM產(chǎn)品堆疊層數(shù)越來越高，甚至攀升到20層及以上，無助焊劑鍵合技術(shù)必然要走下舞臺。
事實上，三大存儲廠商并未將所有的希望寄托在無助焊劑鍵合技術(shù)上，它們還在做另一手準(zhǔn)備。IEEE第74屆電子元件和技術(shù)會議上，三星就在發(fā)表的《用于HBM堆疊的D2W銅鍵合技術(shù)研究》論文中強調(diào)，“16個堆棧及以上的HBM使用混合鍵合是必須的”。
圖源 / TechInsights
在HBM領(lǐng)域，混合鍵合被認(rèn)為是“夢想技術(shù)”，甚至稱為自EUV以來半導(dǎo)體制造最具變革性的創(chuàng)新，其通過兩個芯片覆蓋介電材料如二氧化硅，介電材料嵌入與芯片相連的銅接點，接著將兩芯片接點面對合，再透過熱處理讓兩芯片銅接點受熱膨脹對接。與已廣泛使用的微凸塊堆疊技術(shù)相比，混合鍵合由于不配置凸塊，可容納較多堆疊層數(shù)，也能容納較厚的晶粒厚度，以改善翹曲問題。此外，使用混合鍵合的芯片傳輸速度較快，散熱效果也較好。
作為存儲廠商重點開發(fā)的技術(shù)，混合鍵合分為晶圓對晶圓（Wafer-to-Wafer，W2W），和芯片對晶圓（Die-to-Wafer，D2W），兩種方案具有不同的優(yōu)缺點。
芯睿科技董事長周瑋向集微網(wǎng)介紹：“D2W較多應(yīng)用在HPC、edge AI、Logic領(lǐng)域，接合間距<10 μm，優(yōu)點是成本較低、設(shè)備整合彈性高，缺點是對準(zhǔn)精度較低、表面清潔度處理較困難、切割精度及清潔處理困難；W2W較多應(yīng)用在HBM、Imager領(lǐng)域，對準(zhǔn)精度<50nm，接合間距<1 μm，優(yōu)點是可以大批量生產(chǎn)、UPH高，缺點是設(shè)備整合限制高?！彼硎?，就HBM而言，如果良率夠高，W2W方案是最簡單的。
需要特別指出的是，盡管混合鍵合因諸多優(yōu)勢而被業(yè)界寄予厚望，但還有諸多工作要做，這也是被存儲廠商暫緩“出道”的原因。譬如，成品裸晶的良率問題，鍵合界面需要超高平整度對封裝制程的考驗，以及混合鍵合制程需要ISO3以上的潔凈等級，均將大幅增加傳統(tǒng)封測廠成本。Brewer Science首席應(yīng)用工程師Alice Guerrero曾表示：“要成功地將混合鍵合進(jìn)行大批量生產(chǎn)，需要解決與缺陷控制、對準(zhǔn)精度、熱管理、晶圓翹曲、材料兼容性和工藝吞吐量相關(guān)的挑戰(zhàn)?！憋@然，混合鍵合的全面到來尚需時日。
這與存儲廠商對混合鍵合微妙的態(tài)度一致，不久的將來它們不得不使用該技術(shù)，但目前希望延遲這一昂貴技術(shù)的使用，不要立即“上馬”HBM4，至少等到HBM4E或HBM5。
先進(jìn)封裝形勢大好，鍵合市場增速顯著
摩爾定律行至瓶頸處，先進(jìn)封裝從先進(jìn)制程手中取得“接力棒”，成為后摩爾時代的主力軍，牽動鍵合設(shè)備迎來利好。市調(diào)機構(gòu)TechInsights統(tǒng)計預(yù)測，2023年全球半導(dǎo)體封裝設(shè)備市場規(guī)模約為43.45億美元，其中鍵合/固晶機市場規(guī)模約為10.85億美元，同比下滑15.43%，價值量占比25%左右。隨著先進(jìn)封裝發(fā)展，鍵合機市場規(guī)模有望在今年增長至17.48億美元，增速顯著。
在國際上，混合鍵合設(shè)備領(lǐng)域的主要玩家集中在歐洲、北美和日本，包括EVG（歐洲真空技術(shù)集團）、SUSS MicroTec、BESI、應(yīng)用材料、科磊、泛林集團、ASMPT等，它們依托先進(jìn)的技術(shù)牢牢把控著主導(dǎo)權(quán)。雖然我國多家設(shè)備制造商為進(jìn)入混合鍵合領(lǐng)域而努力，但市場需求的先天不足和客戶的缺少，使得設(shè)備廠商面臨較大挑戰(zhàn)的同時，混合鍵合大規(guī)模商用也存在難點。從實際運用看，盡管臺積電、英特爾和三星都是混合鍵合技術(shù)的擁躉，但臺積電卻是迄今為止唯一一家將混合鍵合商業(yè)化的芯片公司。
最后，混合鍵合技術(shù)在AI、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域具備不可替代性，但短期內(nèi)還受限于成本和工藝成熟度，尚需進(jìn)一步推動工藝標(biāo)準(zhǔn)化和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)?！皬亩唐诳矗瑹o助焊劑鍵合在未來5年內(nèi)仍會是主流技術(shù)之一，尤其非尖端領(lǐng)域；從長期看，混合鍵合將逐步滲透到更多高端應(yīng)用場景，但需要等待成本下降和產(chǎn)業(yè)鏈成熟?！庇鳚龑⒕W(wǎng)表示。
對于16層HBM4和16層HBM4E，市調(diào)機構(gòu)TechInsights判斷，因混合鍵合未較微凸塊具明顯優(yōu)勢，尚無法斷定哪一種技術(shù)能受青睞……但是，三大存儲廠考量堆疊高度限制、IO密度、散熱等要求，已確定于20層堆疊的HBM5使用混合鍵合。
以2025年為節(jié)點，存儲廠商正不斷加碼混合鍵合技術(shù)，設(shè)備廠商亦持續(xù)投入混合鍵合研發(fā)，混合鍵合在HBM產(chǎn)品中的制造可行性已取得顯著提升。3年后，隨著HBM5的正式推出，混合鍵合將成為下一代技術(shù)的必然選擇。而HBM，也將更加昂貴。
