混合键合，HBM4奢侈的爱

（文/姜羽桐）自初代HBM问世以来，已迅速发展至第六代产品（HBM4），尤以近年来迭代最为剧烈。

数据显示，今年HBM出货量将同比增长70%，需求空前高涨。但不是所有的HBM都会被青睐，在英伟达等算力提供商及相关存储厂商路线计划中，2025年的荣光属于HBM4：SK海力士率先推出12层样品；三星表态下半年生产尖端的HBM4；美光亦或将HBM4的推出时间定在今年。

在抢占市场的诱惑下，尽快制造HBM4变得迫在眉睫。而随着堆叠层数的攀升，HBM4最艰难的部分是要满足JEDEC（固态技术协会）制定的775µm厚度标准。传统技术已经很难完成，这要求存储厂商必须慎重地选择路线方案——是无助焊剂键合（Fluxless Bonding），还是混合键合（Hybrid Bonding）？

巨头“捍卫”775 µm，16层堆叠艰难重重

2024年，存储产业传来一则消息——“制定HBM4标准的JEDEC（固态技术协会）正商榷打算放宽HBM4封装厚度，由720 µm增至775 µm。”据说，在那场制定标准的讨论中，SK海力士、三星电子和美光坚持775 µm，英伟达、AMD也接受了该建议。

存储三巨头坚决“捍卫”775 µm的主要原因是，进入HBM4时代，传统技术已无法在720 µm的限制下实现16层堆叠，它们需要争取时间和空间。

过去，HBM通常利用TSV、微凸点和热压键合技术实现多层DRAM颗粒的垂直堆叠与互连以制备存储器芯片，各大存储厂商的办法略有不同——SK海力士采用MR-MUF技术，该技术在每次堆叠DRAM时，会通过加热进行临时连接，最终在堆叠完成后进行一次回流焊以完成键合，随后填充环氧树脂模塑料（EMC），使其均匀渗透到芯片间隙；三星电子、美光则使用TC-NCF技术，在各层DRAM之间嵌入NCF（一种非导电胶膜），并通过热压键合（TCB）从上至下施加热量和压力，NCF在高温下熔融，起到连接凸点并固定芯片的作用。

图片 / HBM内部结构

想要控制封装厚度，从物理角度讲有两个办法，一是基于现有的互联技术，将每个DRAM层磨薄，但不可靠；二是从DRAM层与层之间从互联的填充物方面下手。传统倒装芯片键合中，通常使用助焊剂清理DRAM Die表面氧化层，保证键合过程中机械和电气连接不会受到氧化层影响。但是，残留的助焊剂又将扩大各Die之间的间隙，因此成为摆在工程师面前一道严峻的问题。

集微网向提供先进封装设计、测试开发等技术服务（解决方案）的普赛微科技征询，COO喻涛介绍：“随着HBM的迭代，微凸点间距通常在40µm以下，这对助焊剂清洗带来不小的挑战。助焊剂的残留可能与触点处的锡帽（Solder Cap）发生化学反应，并在塑封料填充时产生缺陷对后道组装工艺产生不确定因素。”残留物还将引发堆叠间隙增大、热应力集中等问题。

特殊节点的召唤，无助焊剂键合登场

当助焊剂的缺点在先进封装工艺中变得越来越明显，开始妨碍半导体公司“赚钱”时，无助焊剂键合技术便得到存储厂商青睐。就目前而言，该技术在HBM，尤其HBM4封装过程中具有无可比拟的三大优势：

一、无助焊剂键合技术可有效缓解大尺寸、微凸点节距芯片的助焊剂残留问题，提高产品的长期可靠性；

二、热压键合时，易挥发的助焊剂在高温下会形成蒸汽，进而污染镜头，将严重影响对位精度。而无助焊剂键合技术可减小工艺过程对机台镜头的影响，提升对位精度；

三、缩小堆叠芯片之间的间隙，增加堆叠层数，缩小堆栈的整体厚度。

无助焊剂键合技术的优点固然多，但喻涛认为，从未来技术发展趋势来看，该技术亦存在较大局限性：一方面，HBM4接口宽度从每堆栈1024位增加到每堆栈2048位，接口的大小和间距进一步缩小到µm级别，从键合密度上看目前无助焊剂键合技术难以满足高密度互连需求；另一方面，热压键合技术依靠微凸点实现芯片的片间键合，芯片间需要预留30～40µm的高度以确保NCF或MUF/CUF等底填料的填充，这仍将导致堆栈的总厚度急剧上升，难以实现更高层数的堆叠。

这并未阻挡存储三巨头对无助焊剂键合技术应用于HBM4的极大热情。去年11月就有韩国媒体指出，三星电子、SK海力士、美光均对在下代HBM4内存中采用无助焊剂键合技术感兴趣，正进行技术准备。美光在与合作伙伴测试工艺方面最为积极，SK海力士考虑导入，三星电子也保持密切关注。

但由于存储厂商在传统HBM芯片键合技术上的区别，无助焊剂键合技术尚需谨慎评估。此外，无焊剂还是一种主要应用于MR-MUF的技术，这对于使用TC-NCF技术的玩家不够友好，它们需要改变整个设备基础设施才能实现。据了解，无助焊剂键合设备主要包括热压键合机、共晶键合机、激光辅助键合机等。目前国外厂商占据大部分市场份额，包括K&S、ASMPT、SET、PALOMAR等；国内设备厂商虽然有不错的进展，但仍存在差距。

存储巨头态度微妙，混合键合暂“搁置”

作为HBM键合技术强有力的“竞争者”，无助焊剂键合技术虽然暂时解决了存储厂商面对16层HBM4这一重要节点的忧虑，并进入“评估阶段”，但其命运可以用两句话形容——过去用不到，今后用不着。未来随着HBM产品堆叠层数越来越高，甚至攀升到20层及以上，无助焊剂键合技术必然要走下舞台。

事实上，三大存储厂商并未将所有的希望寄托在无助焊剂键合技术上，它们还在做另一手准备。IEEE第74届电子元件和技术会议上，三星就在发表的《用于HBM堆叠的D2W铜键合技术研究》论文中强调，“16个堆栈及以上的HBM使用混合键合是必须的”。

图源 / TechInsights

在HBM领域，混合键合被认为是“梦想技术”，甚至称为自EUV以来半导体制造最具变革性的创新，其通过两个芯片覆盖介电材料如二氧化硅，介电材料嵌入与芯片相连的铜接点，接着将两芯片接点面对合，再透过热处理让两芯片铜接点受热膨胀对接。与已广泛使用的微凸块堆叠技术相比，混合键合由于不配置凸块，可容纳较多堆叠层数，也能容纳较厚的晶粒厚度，以改善翘曲问题。此外，使用混合键合的芯片传输速度较快，散热效果也较好。

作为存储厂商重点开发的技术，混合键合分为晶圆对晶圆（Wafer-to-Wafer，W2W），和芯片对晶圆（Die-to-Wafer，D2W），两种方案具有不同的优缺点。

芯睿科技董事长周玮向集微网介绍：“D2W较多应用在HPC、edge AI、Logic领域，接合间距<10 µm，优点是成本较低、设备整合弹性高，缺点是对准精度较低、表面清洁度处理较困难、切割精度及清洁处理困难；W2W较多应用在HBM、Imager领域，对准精度<50nm，接合间距<1 µm，优点是可以大批量生产、UPH高，缺点是设备整合限制高。”他表示，就HBM而言，如果良率够高，W2W方案是最简单的。

需要特别指出的是，尽管混合键合因诸多优势而被业界寄予厚望，但还有诸多工作要做，这也是被存储厂商暂缓“出道”的原因。譬如，成品裸晶的良率问题，键合界面需要超高平整度对封装制程的考验，以及混合键合制程需要ISO3以上的洁净等级，均将大幅增加传统封测厂成本。Brewer Science首席应用工程师Alice Guerrero曾表示：“要成功地将混合键合进行大批量生产，需要解决与缺陷控制、对准精度、热管理、晶圆翘曲、材料兼容性和工艺吞吐量相关的挑战。”显然，混合键合的全面到来尚需时日。

这与存储厂商对混合键合微妙的态度一致，不久的将来它们不得不使用该技术，但目前希望延迟这一昂贵技术的使用，不要立即“上马”HBM4，至少等到HBM4E或HBM5。

先进封装形势大好，键合市场增速显著

摩尔定律行至瓶颈处，先进封装从先进制程手中取得“接力棒”，成为后摩尔时代的主力军，牵动键合设备迎来利好。市调机构TechInsights统计预测，2023年全球半导体封装设备市场规模约为43.45亿美元，其中键合/固晶机市场规模约为10.85亿美元，同比下滑15.43%，价值量占比25%左右。随着先进封装发展，键合机市场规模有望在今年增长至17.48亿美元，增速显著。

在国际上，混合键合设备领域的主要玩家集中在欧洲、北美和日本，包括EVG（欧洲真空技术集团）、SUSS MicroTec、BESI、应用材料、科磊、泛林集团、ASMPT等，它们依托先进的技术牢牢把控着主导权。虽然我国多家设备制造商为进入混合键合领域而努力，但市场需求的先天不足和客户的缺少，使得设备厂商面临较大挑战的同时，混合键合大规模商用也存在难点。从实际运用看，尽管台积电、英特尔和三星都是混合键合技术的拥趸，但台积电却是迄今为止唯一一家将混合键合商业化的芯片公司。

最后，混合键合技术在AI、数据中心等领域具备不可替代性，但短期内还受限于成本和工艺成熟度，尚需进一步推动工艺标准化和生态系统建设。“从短期看，无助焊剂键合在未来5年内仍会是主流技术之一，尤其非尖端领域；从长期看，混合键合将逐步渗透到更多高端应用场景，但需要等待成本下降和产业链成熟。”喻涛对集微网表示。

对于16层HBM4和16层HBM4E，市调机构TechInsights判断，因混合键合未较微凸块具明显优势，尚无法断定哪一种技术能受青睐……但是，三大存储厂考量堆叠高度限制、IO密度、散热等要求，已确定于20层堆叠的HBM5使用混合键合。

以2025年为节点，存储厂商正不断加码混合键合技术，设备厂商亦持续投入混合键合研发，混合键合在HBM产品中的制造可行性已取得显著提升。3年后，随着HBM5的正式推出，混合键合将成为下一代技术的必然选择。而HBM，也将更加昂贵。