在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，人工智能、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算以及高端圖形處理等領(lǐng)域?qū)Ω咚?、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(nèi)存（High Bandwidth Memory，HBM）技術(shù)成為了全球存儲芯片巨頭們角逐的焦點(diǎn)。三星電子作為行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，一直致力于推動 HBM 技術(shù)的革新。近日有消息傳出，三星電子準(zhǔn)備從 16 層 HBM 開始引入混合鍵合技術(shù)，這一舉措無疑將在存儲芯片領(lǐng)域掀起新的波瀾。

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技術(shù)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(nèi)存技術(shù)逐漸難以滿足日益嚴(yán)苛的需求。HBM 技術(shù)通過垂直堆疊多顆 DRAM 芯片，并利用硅通孔（TSV）進(jìn)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(nèi)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(diǎn)（Bump），并通過熱壓接（Thermal Compression，TC）的方式進(jìn)行連接。然而，當(dāng) HBM 堆疊層數(shù)朝著 16 層、20 層甚至更高發(fā)展時(shí)，傳統(tǒng)的熱壓接方式暴露出了諸多問題。其中一個(gè)關(guān)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(nèi)。雖然可以嘗試通過進(jìn)一步削薄 DRAM 芯片或者縮小層間距來應(yīng)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(shí)際操作中就面臨極大挑戰(zhàn)，而且由于凸點(diǎn)本身具有一定體積，通過凸點(diǎn)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(shù)來突破這些瓶頸，混合鍵合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

混合鍵合技術(shù)解析：創(chuàng)新的連接方式

混合鍵合技術(shù)是一種全新的內(nèi)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(nèi)存層之間添加凸點(diǎn)這一傳統(tǒng)做法，而是直接利用銅將上下層進(jìn)行連接，實(shí)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(diǎn)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(jì)算等高帶寬需求的應(yīng)用場景來說至關(guān)重要。以人工智能領(lǐng)域?yàn)槔?，在處理大?guī)模的數(shù)據(jù)運(yùn)算和復(fù)雜的模型訓(xùn)練時(shí)，高帶寬的內(nèi)存能夠極大地提高運(yùn)算效率，減少計(jì)算時(shí)間，讓 AI 模型能夠更快地收斂和優(yōu)化。

其次，混合鍵合技術(shù)能夠顯著降低 DRAM 層之間的距離，進(jìn)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(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)更多芯片的堆疊，例如能夠在該高度內(nèi)封裝 17 個(gè)芯片（一個(gè)基底芯片和 16 個(gè)核心芯片）。這不僅提高了內(nèi)存的集成度，也有助于在有限的空間內(nèi)實(shí)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(nèi)存鍵合技術(shù)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(jìn)混合鍵合技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)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(jì)劃最快從 HBM4E（第七代高帶寬存儲器）開始導(dǎo)入混合鍵合技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(jìn)行全面的評估測試。這一舉措顯示了三星對混合鍵合技術(shù)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(shí)收集客戶的反饋，對技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，確保在正式量產(chǎn)時(shí)能夠滿足市場的高要求。

與此同時(shí)，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(shù)在應(yīng)對 16 層及以上堆疊時(shí)存在一定的質(zhì)疑，但三星認(rèn)為其解決方案相較于競爭對手 SK 海力士的 MR - RUF（某種先進(jìn)封裝技術(shù)），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(biāo)是在 HBM4 中將其高度降至 7.0 微米以內(nèi)。通過對傳統(tǒng)工藝的持續(xù)改進(jìn)，三星旨在充分發(fā)揮 TC - NCF 工藝的優(yōu)勢，同時(shí)彌補(bǔ)其在面對高堆疊層數(shù)時(shí)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(jī)遇：技術(shù)與市場的雙重考驗(yàn)

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

從技術(shù)層面來看，混合鍵合技術(shù)的成熟度相對不足。作為一種新興的技術(shù)，其在工藝穩(wěn)定性、良品率等方面還需要進(jìn)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(zhì)量一致，避免出現(xiàn)連接不良導(dǎo)致的性能問題，是需要攻克的技術(shù)難題。而且，由于技術(shù)難度高，對設(shè)備和操作人員的要求也更為嚴(yán)格，這在一定程度上增加了技術(shù)實(shí)施的復(fù)雜性。

從成本角度考慮，混合鍵合技術(shù)的應(yīng)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(shè)備投資，企業(yè)需要購置新的混合鍵合設(shè)備，對現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)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(shù)尚未大規(guī)模普及，生產(chǎn)規(guī)模相對較小，導(dǎo)致單位產(chǎn)品的成本居高不下。這對于追求性價(jià)比的市場來說，可能會在一定程度上影響混合鍵合技術(shù)的推廣速度。

然而，挑戰(zhàn)與機(jī)遇總是并存。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對高帶寬內(nèi)存的需求將持續(xù)增長，這為混合鍵合技術(shù)提供了廣闊的市場空間。一旦三星能夠成功克服技術(shù)和成本方面的障礙，實(shí)現(xiàn)混合鍵合技術(shù)在 16 層 HBM 上的大規(guī)模應(yīng)用，將在市場競爭中占據(jù)極為有利的地位。而且，隨著技術(shù)的成熟和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本也有望逐漸降低，從而進(jìn)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(wù)方面也看到了新的機(jī)遇。目前，包括谷歌、英偉達(dá)、AMD 等在內(nèi)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(shù)領(lǐng)域的深厚積累和對混合鍵合技術(shù)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(yùn)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(gè)性化需求，進(jìn)一步提升三星在存儲芯片市場的競爭力。

三星電子準(zhǔn)備從 16 層 HBM 開始引入混合鍵合技術(shù)，是其在存儲芯片領(lǐng)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(shù)邁向新的高度，滿足不斷增長的市場需求，也將對整個(gè)存儲芯片行業(yè)的競爭格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在未來，我們期待看到三星在混合鍵合技術(shù)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(dǎo)體芯科技

審核編輯 黃宇