产能之外，HBM先进封装的竞争

电子发烧友网报道（文/周凯扬）作为存储行业当下的新宠，HBM在AI的推动下，已经陷入了前所未有的市场狂热。最大的噱头自然是产能之争，比如SK海力士表示明年的HBM芯片产能已经基本卖完了，台积电今明两年的CoWoS先进封装产能也基本被巨头承包了，订单能见度已经从2027年延长至2028年。
 
对于存储大厂而言，这无疑是难能可贵的市场机遇，为了抓住这个机遇，他们也在加紧产能扩张，但除了产能上的竞争外，其HBM芯片本身的堆叠封装技术也决定了HBM的容量与性能，对订单产生了一定影响。
 
SK海力士－回流焊提高产能
 
过去，HBM DRAM芯片堆叠往往采用预填充绝缘膜的方式，借助韩美半导体等厂商提供的热压缩设备实现TC键合。通过在DRAM芯片之间放置一层NCF绝缘膜，通过热压缩（TC）使焊料熔化与凸点发生反应。
 
但这种传统的封装方式存在不少局限性，首先考虑到DRAM的厚度，如果出现研磨不均匀的情况，就会使得应力发生变化，从而出现弯曲等缺陷。同时，TC-NCF是一个对每个芯片施加压力的过程，所以不可能一次性实现多芯片的堆叠。
 
与此同时，为了在保持厚度的同时增加HBM容量，也就是垂直堆叠更多DRAM芯片，就势必需要减薄DRAM芯片40%，但这也会带来芯片本身容易弯曲等问题。为此，SK海力士先进封装开发团队自研了一种先进MR-MUF（批量回流模制底部填充）技术，并在HBM2e以上的产品中广泛使用。
 
借助合作伙伴日本纳美仕提供的环氧树脂模塑料（EMC）芯片封装用填充胶，在模塑过程中将其作为液体底部填充材料和散热，不必担心热量和应力对凸点造成影响，可以一次性形成多芯片间的焊点，同时具有高导热性，据SK海力士强调，这种先进MR-MUF技术，相比过去传统的MR-MUF技术效率提高三倍，散热能力提高了近2.5倍。
 
三星-TC-NCF与混合键合技术
 
在HBM3时代，SK海力士一直牢牢占据着第一的位置，这并非毫无来由，毕竟三星和美光两家厂商主要还是在使用TC-NCF的传统方案。据透露，三星的HBM3芯片良率只有10%到20%，而SK海力士的良率已经达到60%到70%。为此，三星也在竭力追赶，推进更大容量的HBM。今年2月底，三星发布了业内首个36GB的HBM3E 12H DRAM。
 
通过12层DRAM芯片堆叠，三星将其性能和容量均提升了50%。为了解决与8层标准HBM封装高度相同的要求，同时避免芯片弯曲，三星采用的也是SK海力士过去所用的热压缩绝缘薄膜的技术。不过很明显他们通过进一步降低NCF薄膜的厚度，实现更高层数的DRAM芯片堆叠。
 
但此前提到的TC-NCF技术劣势依然存在，尤其是在效率上。因此除了TC-NCF技术外，三星还准备了另外一条技术路线，也就是混合键合技术。混合键合技术采用Cu-Cu键合来替代HBM内部的焊料，从而实现更窄的间隙，这样即便是16层HBM，也可以采用更厚的DRAM芯片。
 
在近日举办的KMEPS会议上，三星宣布已经采用混合键合技术生产了16层HBM3的样品，不过在HBM4上的量产仍需要一定时间，他们还需要进一步改善这一技术的良率。
 
SK海力士也不例外，他们同样认为混合键合技术会是未来HBM提高密度和性能的关键，毕竟随着凸点数量、I/O引脚数量的增加，凸点间隙越来越窄，NUF填充胶能否穿透凸点也会成为问题。所以在未来的HBM4上，SK海力士也计划采用混合键合技术。
 
写在最后
 
不过考虑到设备、材料和封装技术尚不成熟，同时JEDEC将12层和16层HBM4的厚度规范放宽至775mm，混合键合技术的普及还需要一定时间，或许HBM厂商在HBM4上会继续沿用上一代的封装方案。