[芯片Talk]“防止DRAM弯曲”……以超越性差距引领“高带宽存储器”

by Kim Pyeonghwa

Published 18 Sep.2023 07:27(KST)

Updated 18 Sep.2023 09:41(KST)

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多层堆叠D RAM打造AI高性能内存
通过TSV工艺大幅增加数据传输通道数量

三星押注TC-NCF，SK海力士主攻MR-MUF
消除芯片空隙的“混合键合”技术受关注

今年的存储半导体市场中，最受关注的关键词是“高带宽存储器（HBM）”。预计明年HBM的人气也将持续。由于受人工智能（AI）热潮带动，寻找HBM的客户大幅增加，有预测接连指出，直到明年HBM的需求都会超过供应。这也是在HBM市场上占有率超过90%的三星电子和SK海力士备受期待的主要原因。

用于AI的高性能存储半导体HBM是“High Bandwidth Memory”的缩写。其中的带宽（Bandwidth）是指在一定时间内可以传输的数据处理量。带宽越高，就能越快传输更多数据。HBM通过将多片DRAM垂直堆叠，并在芯片之间打出微小孔洞，大幅增加数据传输通道（I/O）的数量，从而显著提升了处理速度。

在这一过程中所采用的技术就是“硅通孔（Through Silicon Via，TSV）”。TSV是在贯穿硅晶圆打出微小孔洞后，再填充导电材料以形成电极（电流进出的部位）的一种技术。此时，通过打孔形成的电极便承担I/O的角色。以传统技术增加I/O数量存在极限，而经过TSV工艺后，I/O数量可以大幅提升。实际上，HBM的I/O数量高达1024个，是此前使用的DRAM（32个）的32倍。

HBM于2013年首次开发问世后的10年间，在韩国存储行业的主导下不断实现技术进步。期间先后推出了第一代（HBM）、第二代（HBM2）、第三代（HBM2E）和第四代（HBM3）产品，下一代产品也即将实现量产。三星电子计划量产在HBM3后面加上“Plus”的HBM3P，SK海力士则计划量产加上“Extended”的HBM3E。

值得关注的是，两家公司在HBM生产过程中用于堆叠芯片的技术各不相同。三星电子采用“TC‑NCF（Thermo Compression Non Conductive Film，热压非导电膜）”工艺，SK海力士则采用“MR‑MUF（Mass Reflow Molded Underfill，大规模回流模塑底部填充）”工艺。TC‑NCF是指在芯片之间放入一层薄薄的非导电膜（NCF），再通过加热进行压合的方式。加热后，NCF薄膜熔化并起到黏合剂作用，同时填充芯片之间的空隙。

相反，MR‑MUF则是先将已经堆叠好的芯片放入类似烤箱的空间中加热进行焊接这一第一阶段工序。之后在芯片之间注入液态保护材料以填充空隙，并通过固化过程完成封装。SK海力士在自主开发MR‑MUF工艺的过程中，与日本材料企业Namics合作。从Namics获取作为保护材料使用的环氧模塑料（EMC），完成相关技术，并从HBM2E开始加以应用。

目前，两家公司都在高度化各自的技术，以提升HBM产品水平。三星电子在升级自主开发的NCF技术过程中，重新开发了NCF材料，并从HBM3开始应用。三星电子认为，今后在制造HBM时，随着堆叠的DRAM芯片数量增加，可能出现的芯片翘曲等问题，将有望通过NCF技术加以解决。三星电子还提出目标，未来将推出完全消除芯片与芯片之间空隙、直接进行接合的“混合键合（Hybrid Bonding）”新工艺。