先进封装工艺之HBM制造工艺详细全解

一、HBM概述与手艺原理

高带宽存储器（HBM，High Bandwidth Memory）是一种基于3D客栈工艺的高性能动态随机存取存储器，接纳硅通孔（TSV）和芯片堆叠架构实现高速数据传输与低能耗特征。HBM通过笔直堆叠多个DRAM芯片形成大容量内存阵列，使用TSV手艺实现高速互联，相较于古板2D DRAM，其带宽显著提升，同时降低单位数据能耗。

HBM的焦点优势在于：

• 高带宽：HBM3E的数据传输速率可达1280GB/s，HBM3E相比HBM3将数据传输速率和峰值内存带宽提高了44%

• 低功耗：接纳微凸块和TSV手艺，存储和算力芯片信号传输路径短，单引脚I/O速率较低

• 小体积：通过3D堆叠手艺为高性能盘算提供了在细小空间内同时支持高带宽和高容量

二、HBM结构组成

HBM是由1个基本逻辑层和4个DRAM层通过3D堆叠组成，各叠层间通过TSV互连；窘峁拱ǎ

• 基本逻辑层：包括I/O缓存
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• DRAM堆叠层：每个DRAM堆叠层包括2个内存通道，共集成8个通道，各通道之间相互自力

• TSV毗连：各层DRAM之间通过TSV（硅通孔）实现笔直互连

HBM3E的堆叠结构示意图显示：DRAM裸硅片层层堆叠，再与SoC裸硅片和中介层叠加在一起，配合组成了整个3D的系统架构。

三、HBM制造工艺全流程

1. 前端制造工艺

(1) TSV（硅通孔）工艺

TSV是HBM制造的焦点环节，占HBM总本钱的30%，是决议产品性能的要害工序。TSV工艺包括以下要害办法：

(2) 凸点制造（Bumping）

HBM晶圆需在正反两面制作凸块，与TSV工艺配合实现3D堆叠结构：

• 沉积（Deposition）→ 电镀（Plating）→ 剥离（Stripping）

• 光学检测：接纳Camtek与Onto等厂商的光学检测装备，确保凸块无缺陷且轮廓切合规格

2. 后端封装工艺

(1) 堆叠与键合

• 堆叠方法：MR-MUF（模塑填充）手艺是目今主流

• MR-MUF工艺：将半导体芯片堆叠后，为了；ば酒托酒涞牡缏，在其空间中注入液体形态的；ぶ柿，并固化的封装工艺手艺

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3. 芯片与芯片之间或者芯片与载板之间的间隙填充，绝缘和塑封同时完成

4. 一次性融化所有的微凸块，毗连芯片与电路

5. 毗连芯片的微凸块接纳金属塑封质料

(2) 中介层制造与封装

2.5D集成封装：HBM与处置惩罚器的“合体”

堆叠好的HBM立方体并不可单独事情，需要通过2.5D封装手艺与CPU/GPU等处置惩罚器集成在统一基板上。

• 要害部件：通常使用硅中介层。中介层内部有麋集的布线（RDL）和TSV，充当毗连处置惩罚器和HBM的“超等接线板”，提供远超古板PCB的互连密度和带宽。

• 代表手艺：台积电的 CoWoS 是此类封装的主流计划之一。

• HBM与GPU、CPU或ASIC配合铺设在硅中阶级（interposer）上

• 通过CoWoS等2.5D/3D封装工艺相互毗连

• 硅中介层通过CuBump毗连至封装基板（Package Substrate）上

• 最后封装基板再通过锡球与下方的PCB基板相连

四、HBM制造中的要害手艺难点

1. 3D堆叠及TSV手艺的挑战

• 堆叠精度：需要极高的制造工艺水平，确保每层芯片的瞄准精度

• TSV制作：细密的刻蚀和填充手艺，稍有失慎可能导致电气毗连问题

• TSV良率：现在HBM3e的TSV良率仅约40～60%，仍有待提升

2. 热治理挑战

• 热量密度：HBM芯片是3D堆叠结构，单位体积内的热量密度更高

• 解决计划：SK海力士接纳MR-MUF手艺，使用高导热率的模制底部填充（MUF）质料，提高散热性能

3. 电源与信号完整性

• 供电网络：需为笔直堆叠的芯片运送电力，刷新操作的功耗尤为突出

• 设计优化：SK海力士的HBM3E通过缩减外围区域，并接纳围绕式供电TSV设计，使TSV数目提升近6倍，将IR压降大幅降低

4. 封装工艺重大性

• 多质料集成：需要将硅片、基板和散热质料等多种质料集成在一起

• 封装可靠性：确保封装的恒久可靠性，包括抗机械攻击、热循环和电迁徙等因素

五、HBM制造装备与国产化希望

1. HBM制造所需的要害装备

2. 国产装备商的突破

• 盛美上海：已推出Ultra ECP 3d装备用于TSV铜填充；全线湿法洗濯装备及电镀铜装备等可用于HBM工艺

• 拓
  ？萍迹涸赥SV、沉积等要害环节实现突破

• 目今挑战：中国HBM工业链在要害装备端的国产化率缺乏5%，成为制约国产存储芯片突围的最大短板

六、HBM手艺演进与市场趋势

手艺挑战与生长趋势

HBM制造不但重大，还面临着一连的手艺挑战与迭代。

• 散热挑战：3D堆叠结构导致热量积累，HBM已成为高性能盘算系统中的主要热源之一。改善散热是提升可靠性的要害，需从质料（如使用高导热MUF）、结构设计（如优化风道）和系统冷却计划（如液冷）多维度解决。

• 良率治理：多层堆叠会累积缺陷，每层99%的良率在堆叠12层后，总良率可能急剧下降至缺乏90%
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• 未来趋势：混淆键合
  为了进一步缩小堆叠厚度、提升互连密度和散热效率，下一代手艺——混淆键合已成为明确偏向。它摒弃微凸块，直接在芯片的铜电极和介质层上举行铜-铜直接键合，能大幅减小笔直间距。

• 行业动态：三星和SK海力士均已妄想在HBM4E（16层）及之后的HBM5（20层）产品中引入混淆键合手艺。

1. HBM手艺演进

• HBM1：2013年SK海力士首次量产

• HBM2：2015年应用于AMD Fiji GPU

• HBM2E：提升带宽和容量

• HBM3：2023年推出，单引脚速率达6.4Gbit/s，总带宽凌驾1TB/s

• HBM3E：2024年主流，数据传输速率可达1280GB/s

• HBM4：2025年3月，SK海力士出货全球首款12层HBM4样品，妄想2026年下半年量产；将接纳2048位内存接口，有望使传输速率再次翻倍

2. 市场现状与远景

• 市场规模：2024年HBM市场规模达174亿美元，预计2030年将增添至980亿美元，年复合增添率约33%

• 市场名堂：SK海力士、三星和美光划分占有全球HBM市场62%、17%和21%的份额

• 应用趋势：AI效劳器对存储芯片的需求量抵达通俗效劳器的8至10倍，HBM已成为AI效劳器GPU的焦点组件

• 未来展望：预计到2027年，HBM在DRAM市场总价值占比将达43%

七、总结

HBM制造工艺是先进封装手艺的代表，其焦点在于TSV工艺和3D堆叠手艺。随着AI算力需求的爆发式增添，HBM已成为大算力芯片的"性能基石"，迎来黄金生耐久。HBM制造工艺的重大性对半导体装备提出了严苛要求，也为中国半导体装备商提供了战略性切入窗口。

目今，国产装备商在TSV刻蚀、沉积、铜填充等要害环节已实现突破，但装备国产化率仍缺乏5%，未来随着HBM4等新一代手艺的推进，国产装备在HBM工业链中的职位将进一步提升，有望成为HBM国产化突破的要害环节。

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