在當今科技飛速發(fā)展的時代，人工智能、大數(shù)據(jù)分析、云計算以及高端圖形處理等領域對高速、高帶寬存儲的需求呈現(xiàn)出爆炸式增長。這種背景下，高帶寬內存（High Bandwidth Memory，HBM）技術成為了全球存儲芯片巨頭們角逐的焦點。三星電子作為行業(yè)的領軍企業(yè)，一直致力于推動 HBM 技術的革新。近日有消息傳出，三星電子準備從 16 層 HBM 開始引入混合鍵合技術，這一舉措無疑將在存儲芯片領域掀起新的波瀾。

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技術背景：HBM 發(fā)展的必然趨勢

隨著數(shù)據(jù)量的指數(shù)級增長和數(shù)據(jù)處理速度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的內存技術逐漸難以滿足日益嚴苛的需求。HBM 技術通過垂直堆疊多顆 DRAM 芯片，并利用硅通孔（TSV）進行連接，極大地提升了數(shù)據(jù)處理性能。從 HBM2e 到 HBM3e，再到即將到來的 HBM4，各大廠商不斷在提升內存帶寬和容量方面發(fā)力。

在過去的 HBM 制造過程中，通常采用在每層 DRAM 之間放置微小凸點（Bump），并通過熱壓接（Thermal Compression，TC）的方式進行連接。然而，當 HBM 堆疊層數(shù)朝著 16 層、20 層甚至更高發(fā)展時，傳統(tǒng)的熱壓接方式暴露出了諸多問題。其中一個關鍵限制因素是 HBM 封裝的整體厚度必須控制在最大 775 微米（μm）以內。雖然可以嘗試通過進一步削薄 DRAM 芯片或者縮小層間距來應對，但這些方法都存在著物理極限。例如，將核心芯片厚度做得比 30 微米更薄在實際操作中就面臨極大挑戰(zhàn)，而且由于凸點本身具有一定體積，通過凸點連接芯片在增加堆疊層數(shù)和降低整體高度方面的局限性愈發(fā)明顯。這就促使業(yè)界必須尋找一種新的技術來突破這些瓶頸，混合鍵合技術應運而生。

混合鍵合技術解析：創(chuàng)新的連接方式

混合鍵合技術是一種全新的內存鍵合方式，與傳統(tǒng)的鍵合工藝相比，具有革命性的變化。其核心在于摒棄了在 DRAM 內存層之間添加凸點這一傳統(tǒng)做法，而是直接利用銅將上下層進行連接，實現(xiàn)了銅對銅的直接連接。

這種創(chuàng)新的連接方式帶來了多方面的優(yōu)勢。首先，信號傳輸速率得到了大幅提升。在傳統(tǒng)的鍵合方式中，凸點的存在會在一定程度上影響信號的傳輸速度，而混合鍵合直接的銅連接減少了信號傳輸?shù)淖璧K，使得數(shù)據(jù)能夠以更快的速度在不同層之間傳遞，這對于 AI 計算等高帶寬需求的應用場景來說至關重要。以人工智能領域為例，在處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)運算和復雜的模型訓練時，高帶寬的內存能夠極大地提高運算效率，減少計算時間，讓 AI 模型能夠更快地收斂和優(yōu)化。

其次，混合鍵合技術能夠顯著降低 DRAM 層之間的距離，進而降低 HBM 模塊的整體高度。通過縮小芯片間的間隙，在有限的 775 微米高度限制內，可以實現(xiàn)更多芯片的堆疊，例如能夠在該高度內封裝 17 個芯片（一個基底芯片和 16 個核心芯片）。這不僅提高了內存的集成度，也有助于在有限的空間內實現(xiàn)更高的存儲容量和性能。

三星的戰(zhàn)略布局：雙軌策略并行

三星電子在 HBM4 內存鍵合技術方面采取了穩(wěn)健且具有前瞻性的雙軌策略。一方面積極推進混合鍵合技術的研發(fā)與應用，另一方面也沒有放棄對傳統(tǒng)的 TC - NCF（熱壓縮氮化硅填充）工藝的優(yōu)化。

三星電子計劃最快從 HBM4E（第七代高帶寬存儲器）開始導入混合鍵合技術。為了實現(xiàn)這一目標，目前三星正在向客戶提供基于混合鍵合的 16 層 HBM 樣品，并進行全面的評估測試。這一舉措顯示了三星對混合鍵合技術的信心以及對市場需求的敏銳把握。通過提前向客戶提供樣品，能夠及時收集客戶的反饋，對技術進行進一步的優(yōu)化和改進，確保在正式量產(chǎn)時能夠滿足市場的高要求。

與此同時，三星也在不斷探索和優(yōu)化 TC - NCF 工藝。雖然外界對于 TC - NCF 技術在應對 16 層及以上堆疊時存在一定的質疑，但三星認為其解決方案相較于競爭對手 SK 海力士的 MR - RUF（某種先進封裝技術），更適合用于 12 層甚至 16 層的高堆疊模塊。三星正努力將 TC - NCF 工藝中的晶圓間隙縮小，目標是在 HBM4 中將其高度降至 7.0 微米以內。通過對傳統(tǒng)工藝的持續(xù)改進，三星旨在充分發(fā)揮 TC - NCF 工藝的優(yōu)勢，同時彌補其在面對高堆疊層數(shù)時的不足，為不同客戶的需求提供多樣化的選擇。

面臨的挑戰(zhàn)與機遇：技術與市場的雙重考驗

盡管混合鍵合技術展現(xiàn)出了巨大的潛力，但在實際應用和推廣過程中，仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。

從技術層面來看，混合鍵合技術的成熟度相對不足。作為一種新興的技術，其在工藝穩(wěn)定性、良品率等方面還需要進一步提升。例如，在芯片直接連接的過程中，如何確保每一層之間的連接質量一致，避免出現(xiàn)連接不良導致的性能問題，是需要攻克的技術難題。而且，由于技術難度高，對設備和操作人員的要求也更為嚴格，這在一定程度上增加了技術實施的復雜性。

從成本角度考慮，混合鍵合技術的應用成本較高。一方面，從傳統(tǒng)的 TC 鍵合切換到混合鍵合需要大量的設備投資，企業(yè)需要購置新的混合鍵合設備，對現(xiàn)有的生產(chǎn)線進行改造，這無疑會增加企業(yè)的前期投入成本。另一方面，由于技術尚未大規(guī)模普及，生產(chǎn)規(guī)模相對較小，導致單位產(chǎn)品的成本居高不下。這對于追求性價比的市場來說，可能會在一定程度上影響混合鍵合技術的推廣速度。

然而，挑戰(zhàn)與機遇總是并存。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術的持續(xù)發(fā)展，對高帶寬內存的需求將持續(xù)增長，這為混合鍵合技術提供了廣闊的市場空間。一旦三星能夠成功克服技術和成本方面的障礙，實現(xiàn)混合鍵合技術在 16 層 HBM 上的大規(guī)模應用，將在市場競爭中占據(jù)極為有利的地位。而且，隨著技術的成熟和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，成本也有望逐漸降低，從而進一步推動市場的需求增長。

此外，三星在籌備定制化 HBM（Custom HBM）業(yè)務方面也看到了新的機遇。目前，包括谷歌、英偉達、AMD 等在內的多家全球大型科技公司，都在尋求適用于其 AI 芯片的專屬定制 HBM 產(chǎn)品。三星憑借其在 HBM 技術領域的深厚積累和對混合鍵合技術的積極探索，有望在定制化 HBM 市場中分得一杯羹。通過開發(fā)將運算功能集成至基底晶片（Base Die）等具有三星特色的定制 HBM 產(chǎn)品，滿足不同客戶的個性化需求，進一步提升三星在存儲芯片市場的競爭力。

三星電子準備從 16 層 HBM 開始引入混合鍵合技術，是其在存儲芯片領域持續(xù)創(chuàng)新和戰(zhàn)略布局的重要體現(xiàn)。這一舉措不僅有望推動 HBM 技術邁向新的高度，滿足不斷增長的市場需求，也將對整個存儲芯片行業(yè)的競爭格局產(chǎn)生深遠影響。在未來，我們期待看到三星在混合鍵合技術方面取得更多突破，為全球科技發(fā)展注入新的動力。

來源：半導體芯科技

審核編輯 黃宇