SK海力士正在加速開發(fā)新工藝“混合鍵合”，以保持其在高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位。業(yè)界正在密切關(guān)注SK海力士能否率先應(yīng)用這一夢(mèng)想封裝技術(shù)，從而繼續(xù)引領(lǐng)特種內(nèi)存領(lǐng)域。

據(jù)行業(yè)官員12月18日透露，SK海力士本月在美國舉行的全球半導(dǎo)體會(huì)議IEDM 2023上宣布，其已確保HBM制造中使用的混合鍵合工藝的可靠性。SK海力士報(bào)告稱，其第三代HBM（HBM2E）采用8層堆疊DRAM，在使用混合鍵合工藝制造后通過了所有可靠性測(cè)試。在此次測(cè)試中，SK海力士評(píng)估了HBM在高溫下的使用壽命，并檢查了產(chǎn)品發(fā)貨后客戶在芯片焊接過程中可能出現(xiàn)的潛在問題等，涵蓋四個(gè)類別。

混合鍵合被認(rèn)為是 HBM 行業(yè)的“夢(mèng)想工藝技術(shù)”。到目前為止，HBM 在 DRAM 模塊之間使用一種稱為“微凸塊”的材料進(jìn)行連接。然而，通過混合鍵合，芯片可以在沒有凸塊的情況下連接，通過消除充當(dāng)橋梁的凸塊來顯著減小芯片的厚度。

HBM 芯片的標(biāo)準(zhǔn)厚度為 720 μm。預(yù)計(jì)將于 2026 年左右量產(chǎn)的第 6 代 HBM（HBM4）需要垂直堆疊 16 個(gè) DRAM，這對(duì)當(dāng)前的封裝技術(shù)滿足客戶滿意度來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，Hybrid Bonding工藝在下一代HBM中的應(yīng)用被業(yè)界認(rèn)為是必然的。

SK海力士今年已宣布計(jì)劃將混合鍵合應(yīng)用于其HBM4產(chǎn)品。雖然本次測(cè)試是在第三代產(chǎn)品上進(jìn)行的，其要求遠(yuǎn)低于 HBM4 規(guī)格，而且 DRAM 層數(shù)僅為一半（8 層），但對(duì)于外部展示 Hybrid Bonding 的潛力具有重要意義。


SK海力士“兩條腿走路” 降本或成最大動(dòng)力

先進(jìn)封裝為延續(xù)摩爾定理、提升芯片性能及集成度提供技術(shù)支持，隨著生成式AI的發(fā)展，算力需求井噴，對(duì)芯片性能提出了更高的要求。HBM在帶寬、功耗、封裝體積方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，目前，高端AI服務(wù)器GPU搭載HBM芯片已成主流。

SK海力士是HBM方案的強(qiáng)有力推動(dòng)者，按照之前的計(jì)劃，SK海力士最早將在2026年量產(chǎn)第六代HBM，即HBM 4，其將擁有12層或16層DRAM。SK海力士還透露，將把下一代后處理技術(shù)“混合鍵合”應(yīng)用于HBM 4產(chǎn)品。

HBM為3D封裝最典型應(yīng)用，通過將多個(gè)DRAM芯片堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)了更高的存儲(chǔ)帶寬和更低的延遲，而扇出封裝技術(shù)屬于2.5D封裝方案。

這家存儲(chǔ)龍頭公司如今選擇“兩條腿走路”，降本或成其探索新路徑的最大動(dòng)力。

HBM由于其復(fù)雜的設(shè)計(jì)及封裝工藝導(dǎo)致產(chǎn)能較低同時(shí)成本較高。BusinessKorea報(bào)道稱，業(yè)界認(rèn)為2.5D扇出封裝技術(shù)可以跳過硅通孔（TSV）工藝來降低成本，同時(shí)增加輸入/輸出（I/O）接口的數(shù)量。業(yè)界推測(cè)，這種封裝技術(shù)將應(yīng)用于圖形DRAM（即GDDR，廣泛用于高性能3D游戲、個(gè)人電腦、筆記本電腦或播放高分辨率視頻的設(shè)備中），以及其他需要擴(kuò)展信息I/O的領(lǐng)域。


三星發(fā)力3D 封裝，SAINT探索HBM新存儲(chǔ)集成方案

作為行業(yè)頭部HBM供應(yīng)商，同時(shí)在先進(jìn)封裝領(lǐng)域布局積極的三星，在HBM升級(jí)競(jìng)賽里相當(dāng)積極，意圖趕超臺(tái)積電HBM先進(jìn)封裝的決心也是很明顯。

此前三星為了在單個(gè)封裝內(nèi)集成更多的Chiplet和HBM推出了I-Cube、H-Cube和X-Cube。I-Cube、H-Cube是2.5D封裝，X-Cube是3D封裝。

I-CUBE S將一塊邏輯芯片與HBM裸片水平放置在一個(gè)硅中介層上，實(shí)現(xiàn)高算力、高帶寬數(shù)據(jù)傳輸和低延遲；H-Cube將邏輯芯片與HBM裸片水平放置在一個(gè)硅中介層之外結(jié)合了ABF基底和HDI基底，在I-CUBE基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更大的封裝尺寸；X-Cube則是采用芯片垂直堆疊的全3D封裝。

而在近期，三星又宣布將計(jì)劃在明年推出先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，使用SAINT技術(shù)（Samsung Advanced Interconnection Technology，即三星先進(jìn)互連技術(shù)），以更小的尺寸集成高性能芯片所需的內(nèi)存和處理器。

SAINT技術(shù)共分為三大類，一是用于垂直堆疊SRAM和CPU的SAINT S，二是用于應(yīng)用處理器堆疊的SAINT L，三則是應(yīng)用于CPU、GPU等處理器和DRAM內(nèi)存垂直封裝的SAINT D。據(jù)相關(guān)報(bào)道，該技術(shù)中SAINT S已經(jīng)通過了驗(yàn)證測(cè)試，SAINT D和SAINT L的技術(shù)驗(yàn)證將于明年完成。

HBM及其相關(guān)封裝技術(shù)作為高性能計(jì)算領(lǐng)域扮演的重要角色，三星意圖通過SAINT技術(shù)在HBM及封裝領(lǐng)域占據(jù)主動(dòng)。


先進(jìn)封裝，成為HBM產(chǎn)業(yè)鏈核心價(jià)值增量

談及產(chǎn)業(yè)鏈，HBM作為存力領(lǐng)域的技術(shù)，自然離不開上游材料端與設(shè)備端的更新支持，但在材料與設(shè)備外，作為通過2.5D與3D封裝工藝實(shí)現(xiàn)更新迭代的技術(shù)，HBM在封測(cè)端核心工藝自然是最重要，也是價(jià)值量最高的部分。

而封測(cè)端的相關(guān)工藝，相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)已經(jīng)一目了然：如何將組成HBM各個(gè)DRAM Die之間一一串聯(lián)起來，并連接至下方的邏輯控制die（Base Die），形成完整個(gè)HBM Stack；如何將HBM Stack整體封裝至硅中介基板上方；是如何將CPU/GPU等邏輯芯片與HBM Stack一般，同樣封裝至硅中介基板上方。

簡(jiǎn)而言之，便是組裝HBM Stack、將HBM Stack封裝至基板、將CPU/GPU封裝至基板三個(gè)步驟，而這三個(gè)步驟中，主要涉及TSV、CoWoS、FC工藝。

三者中，TSV（硅通孔）技術(shù)又是重中之重，它是通過銅、鎢、多晶硅等導(dǎo)電物質(zhì)的填充來實(shí)現(xiàn)硅通孔的垂直電氣互聯(lián)的技術(shù)，將DRAM Die完成通孔封裝，其也是目前唯一的垂直電互聯(lián)技術(shù)，能夠以最低的能耗提供極高的帶寬和密度。

據(jù)招商證券報(bào)道，TSV與傳統(tǒng)的SIP等封裝技術(shù)相比，其垂直連接可以允許更多數(shù)量的連接，因此具備更好的電勢(shì)能、更低的功耗、更寬的帶寬、更高的密度、更小的外形尺寸、更輕的質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)電路小型化、高密度、多功能化的首選解決方案，也成為了解決出現(xiàn)在SOC(二維系統(tǒng)級(jí)芯片)技術(shù)中的信號(hào)延遲等問題的利器，可以說，HBM相較于GDDR最大的改進(jìn)與優(yōu)勢(shì)，就是TSV的“上車”。

也正是因?yàn)門SV技術(shù)有如此多的優(yōu)點(diǎn)，2.5D/3D TSV技術(shù)才被廣泛用于AI GPU基板上的HBM中，也成為了HBM 3D封裝中成本占比最高的工藝，根據(jù)3DinCites，考慮4層DRAM Die和1層邏輯die堆疊的HBM結(jié)構(gòu)，在99.5%和99%的芯片鍵合（die bonding）良率下，TSV制造和TSV通孔露出工藝分別占其成本的30%和29%。

TSV完成HBM Stack的鍵合后，用于AI GPU的整體封裝的CoWoS，也是先進(jìn)封裝中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，臺(tái)積電的CoWoS技術(shù)全球領(lǐng)先，英偉達(dá)AIGPUDGXA100、H100、H200等均由其生產(chǎn)，而據(jù)臺(tái)積電預(yù)計(jì)，目前其相關(guān)產(chǎn)能供應(yīng)極為緊張，將于2024-2025年進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，2024年CoWos產(chǎn)能將實(shí)現(xiàn)倍增。

此外，在先進(jìn)封裝工藝中取代引線鍵合，將CPU/GPU芯片封裝于基板上的倒片封裝（FC）也是必不可少的工藝。

在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，現(xiàn)存的封裝工藝無非芯片粘接、引線鍵合、倒裝連接技術(shù)三種，而載帶連接技術(shù)因?yàn)橛幸欢ǖ木窒扌?，故已?jīng)被封裝逐漸淘汰。

而在引線鍵合與倒裝連接之間，倒片封裝不存在如引線鍵合對(duì)于可進(jìn)行電連接的輸入/輸出引腳的數(shù)量和位置限制，也不再受制于以為擺放，可全部排列于芯片的同一側(cè)面，同時(shí)電信號(hào)傳輸路徑更短，也就有了更加優(yōu)良的性能。

于是，倒片封裝（FC）也成為了HBM制造過程中的一大必備工藝。

此外，HBM多層堆疊結(jié)構(gòu)要求超薄晶圓和銅-銅混合鍵合工藝，增加了臨時(shí)鍵合/解鍵合以及混合鍵合設(shè)備需求，各層DRAM Die的保護(hù)材料也非常關(guān)鍵，對(duì)注塑或壓塑設(shè)備提出較高要求；另外，諸如劃片機(jī)、固晶機(jī)、回流焊機(jī)/回流爐等傳統(tǒng)設(shè)備需求也均受益于HBM封裝帶來的工藝步驟提升和工藝變革帶來的價(jià)值量提升。

而在設(shè)備之外，材料的重要性也不容小覷。其中，環(huán)氧塑封料（EMC）通過其優(yōu)異的性能成為封裝必需的材料。

但在先進(jìn)封裝中，傳統(tǒng)EMC還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要有更好的耐潮性、低應(yīng)力、低α射線、耐浸焊和回流焊性能，同時(shí)還得保證塑封性，因此環(huán)氧塑封料必須在無機(jī)樹脂基體內(nèi)摻雜無機(jī)填料，市場(chǎng)份額被全球少數(shù)幾家廠商完成了寡頭壟斷。

縱觀封測(cè)端、設(shè)備端與材料端，我們不難看出，HBM作為代表著目前世界最尖端微電子技術(shù)融合為一推出的產(chǎn)品，大多環(huán)節(jié)都被國際大廠牢牢掌握在手中，那么，有哪些國產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品介入了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈呢？

封測(cè)與設(shè)備國內(nèi)差距明顯，相關(guān)材料側(cè)或存機(jī)會(huì)

在封測(cè)端，HBM核心封裝技術(shù)增量主要存在于TSV、CoWoS、Bumping、RDL等工藝之上，但掌握這些先進(jìn)封裝工藝的企業(yè)均為一體化國際大廠，如韓系廠商三星、臺(tái)系廠商臺(tái)積電等企業(yè)。

而其下設(shè)備端的格局也大抵相同。即便相關(guān)設(shè)備涵蓋了眾多制造領(lǐng)域，中國微電子產(chǎn)業(yè)企業(yè)卻因技術(shù)能力所限，并沒有太多的涉足。在談及有關(guān)先進(jìn)TSV工藝的設(shè)備之時(shí)，據(jù)界面新聞報(bào)道，有半導(dǎo)體行業(yè)資深人士表示，“國內(nèi)對(duì)TSV技術(shù)雖然也研發(fā)了很多年，但其成本很高，技術(shù)難度大，應(yīng)用面窄，主要應(yīng)用于攝像頭，國內(nèi)外雖然都將此技術(shù)稱為TSV，但技術(shù)難度上完全是兩碼事。”

“在這一技術(shù)水平上，二者不是一個(gè)量級(jí)的，國外能做3納米芯片，而我們只能做14納米芯片，工藝水平不足。加之國內(nèi)沒有企業(yè)可以做HBM這一存儲(chǔ)器，對(duì)TSV技術(shù)自然沒有需求，因此國內(nèi)幾乎沒有企業(yè)真正投入研發(fā)TSV技術(shù)。”前述業(yè)內(nèi)人士表示。

同時(shí)，對(duì)方還補(bǔ)充道，“更為重要的是，國內(nèi)現(xiàn)在沒有一家企業(yè)能夠制造出HBM存儲(chǔ)芯片，又怎么會(huì)去用TSV工藝呢？”

不過，雖然在封測(cè)端與設(shè)備端國內(nèi)并沒有出現(xiàn)真正的玩家，但是在材料端中，卻存在許多有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)，而華海誠科便是其中之一。

華海誠科成立于2010年，是?家專注于半導(dǎo)體封裝材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的國家級(jí)專精特新小巨人企業(yè)，主要產(chǎn)品為環(huán)氧塑封料和電子膠黏劑，也是國內(nèi)少數(shù)同時(shí)布局FC底填膠與LMC的內(nèi)資半導(dǎo)體封裝材料廠商。

環(huán)氧塑封材料作為一種重要的半導(dǎo)體封裝材料，受益于全球封裝產(chǎn)能逐步轉(zhuǎn)移至大陸，大陸塑封材料增速高于全球市場(chǎng)，也為公司帶來了良好的發(fā)展機(jī)遇。

在傳統(tǒng)封裝領(lǐng)域，公司應(yīng)?于DIP、TO、SOT、SOP等封裝形式的產(chǎn)品已具備品質(zhì)穩(wěn)定、性能優(yōu)良、性價(jià)??等優(yōu)勢(shì)，且應(yīng)?于SOT、SOP領(lǐng)域的?性能類環(huán)氧塑封料的產(chǎn)品性能已達(dá)到了外資?商相當(dāng)?平，并在?電科技、華天科技等部分主流?商逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)外資?商產(chǎn)品的替代，市場(chǎng)份額持續(xù)增?。

在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，公司研發(fā)了應(yīng)?于QFN、BGA、FC、SiP以及FOWLP/FOPLP等封裝形式的封裝材料，其中應(yīng)?于QFN的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)與銷售，顆粒狀環(huán)氧塑封料(GMC)以及FC底填膠等應(yīng)?于先進(jìn)封裝的材料已通過客戶驗(yàn)證，液態(tài)塑封材料(LMC)正在客戶驗(yàn)證過程中，上述應(yīng)用于先進(jìn)封裝的產(chǎn)品有望逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并打破外資?商的壟斷地位。