HBM三大关键工艺介绍

TSV、Micro bump 和堆叠键合。

TSV 在 HBM 成本中占比最高，约 30%。HBM 核心工艺主要是 TSV、 micro bump 和堆叠键合，其中 TSV 工艺是 HBM 中成本占比最高、最 核心的工艺，利用 TSV 才能实现 DRAM 芯片的 3D 堆叠和芯片间的快 速传输。根据 3D InCites 2016 年数据，在 4 层 DRAM 和 1 层逻辑的 HBM 中，99.5%的键合良率下，TSV 工艺所占的成本比重为 30%，其 中 TSV 制造（在正常晶圆厚度上制作 TSV 的过程）为 18%，TSV 显露 （晶圆减薄等工艺使 TSV 触点露出）为 12%；在 99%键合良率下，TSV 工艺所占的成本比重为 28%，其中 TSV 制造为 17%，TSV 显露为 11%。

TSV，即 Through-SiliconVia，指穿透 Si 晶圆实现各芯片层之间电互 连的垂直导电柱。RDL 主要在 XY 轴上进行电互联，而 TSV 主要针对 Z 轴方向的电互联，是唯一的垂直电互联技术。芯片三维堆叠技术需通过 TSV 实现多芯片的短距离高速通信。TSV 有 3 个关键特征：1）通过在 芯片内部形成孔洞来实现电气互连；2）垂直连接芯片的不同层次，实现 多层堆叠结构；3）TSV 中填充导电材料，通过孔内材料导电实现电气互 连。TSV 主要用于硅转接板、芯片三维堆叠等方面，典型应用有 cowos、 HBM。目前用于三维堆叠的 TSV 直径约为 5~10μm，深宽比约为 10∶ 1，未来先进 TSV 工艺的直径有望达到 1μm，深宽比达到 20∶1，实现 更高密度的互连。

TSV 制造涉及到深孔刻蚀、气相沉积、铜填充、CMP、晶圆减薄等工序 设备，技术难度高。TSV 制造的主要工艺流程依次为：深反应离子刻蚀 （DRIE）行成通孔→通过化学沉积的方法沉积中间介电层、使用物理气 相沉积的方法沉积制作阻挡层和种子层→通过电镀或者 PVD 工艺在盲 孔中进行铜填充→使用化学和机械抛光（CMP）去除多余的铜并对晶圆 进行减薄。从工艺次序角度可分为前通孔、中通孔、后通孔和键合后通 孔等几种形式。TSV 技术的工艺难度高：1）通常要求晶圆减薄到 50μ ｍ以下，须控制好晶圆减薄的水平度，避免裂片、飞边。2）TSV 工艺对 通孔的宽度以及深宽比都有严格要求，目前首选技术是基于 Bosch 工艺 的干法刻蚀，实现了对腔室内等离子体密度的均匀控制，满足硅高深宽 比刻蚀工艺的要求。涉及的设备&材料：光刻机（光刻胶）、深孔刻蚀设 备（电子特气）、PVD（靶材）、CVD、电镀设备（电镀液）、抛光机（抛 光液）、减薄机（减薄液）等。此外，为了满足 TSV 工艺，晶圆减薄已 成为大势所趋，但超薄晶圆容易产生翘曲，因此在硅转接板的完整工艺 流程中（报告 3.1 节有流程介绍）还需要用到临时键合与解键合工艺： 采用临时键合材料将完成一面图形制造的晶圆预键合到载片上，继续进 行背面工艺制作，完成后将晶圆和载板剥离。

Micro bump 是芯片倒装的基础。 Bump 技术具备引脚密度高、低成本的特点，是构成倒装技术的基础。 相较于传统打线技术（Wire Bond）的“线连接”，Bump 技术“以点代 线”，在芯片上制造 Bump，连接芯片与焊盘，此种方法拥有更高的端口 密度，缩短了信号传输路径，减少了信号延迟，具备了更优良的热传导 性及可靠性，也是进行 FC（Flip Chip）倒装工艺在内的先进封装工艺的 技术基础。

Micro bump 是铜柱微凸点，主要制备方法是电镀。目前 HBM 的 DRAM 芯片之间主要通过 micro bump（微凸点）互联，micro bump 是电镀形 成的铜柱凸点。凸点制作流程为：①首先溅射一层 UBM 层（Under Bump Metallization，凸点下金属层）到整个晶圆的表面，UBM 层作为种子黏 附层，可以在电镀时让电流均匀传导到晶圆表面开口的地方，使各处电 镀速率尽可能一致。②在 UBM 层上利用光刻胶形成掩膜，仅在需要电 镀凸点的区域开口。③通常采用蘑菇头形的电镀，即电镀厚度超过光刻 胶厚度，凸点沿着光刻胶表面横向长大，形成蘑菇头形状。④电镀完毕 后去胶，并去除凸点外的 UBM 层。⑤最后通过回流形成大小均匀、表面 光滑的凸点阵列。整个流程会涉及到的设备&材料：PVD（靶材）、涂胶 显影机、光刻机（光刻胶）、电镀设备（金属、焊料）、去胶设备（剥离 液）、刻蚀设备（电子特气）、回流焊设备等。

堆叠键合工艺主要包括：NCF、MUF、混合键合。 HBM2，Bump pitch（凸点间距）在 55μm，三星和海力士共同使用 TCB （热压合）技术，其中海力士采用的是 TCB 的分支 TCB-NCF。 HBM2/2E/3/3E，Bump pitch 进展到 25/22μm 水平，三星继续采用 TCB 技术，而海力士独家采用 MR-MUF（大规模回流焊-注塑底填充技术）。 HBM4，Bump pitch 进展到 20μm 以下，三星和海力士共同寻求混合键 合技术——该技术相比 TCB、MR-MUF 技术最大特点在于，其为直接键 合，即直接实现上下 die 之间的电气连接，中间不需要再使用凸点。 三星、海力士之外的另一巨头美光，此前坚持 HMC（混合存储立方体技 术），于 2022 年底转向 HBM，并于 2023 年推出 HBM3 Gen2，技术方式 与三星相同，使用 TCB。

海力士独创的 MR-MUF 相较 TC-NCF 有更好的散热性能。 海力士从 TCB 转向独创 MR-MUF，一方面效率更高，同时散热效果更 好，HBM3 推出时间领先其他原厂 1 年多、占据了先机。 散热是 HBM 产品发展的关键瓶颈之一，MR-MUF 工艺下 HBM 的散热 性能更好，主要是由于：①散热凸点（bump）更多，②不再使用 NCF， 使用有优良导热性能的塑封料作为间隙填充材料，相当于 TCB-NCF 下 HBM 需要穿 2 层衣服（NCF 和 EMC），而在 MR-MUF 工艺下 HBM 之 间仅穿了一层衣服（EMC）。另外 MR-MUF 工艺也有效率更高、降低 TSV 制造成本等优势。 凸点主要可分为散热类凸点和连接类凸点，通常凸点越多散热效果越好， 凸点增加了散热路径，但是在传统的 HBM 堆叠键合 TCB-NCF 工艺下， 考虑到 NCF 的流动性和键合过程中在热压力下的芯片损耗，TCB 难以 大规模制备散热凸点，MR-MUF 工艺下一次熔化所有微凸点的焊料然后 实现键合、电气互连，不再使用压力，因此可以使用更多凸点，散热性 能更佳，另外采用自己独家研发的液体状 EMC 为主要原材料的底料填 充，散热性能更上台阶。根据海力士，MR-MUF 工艺确保了 HBM 10 万 多个凸点互连的优良质量，增加了散热凸点数量、实现更好的散热效果， 巩固了海力士在 HBM 市场的地位，并使 SK 海力士在 HBM3 市场占据 领先地位。

目前 HBM 厂商采用的凸点倒装互连工艺主要分为回流焊和热压键合。 1）回流焊：加热锡焊料，熔化的焊料与另一侧凸点金属接触后发生界面反应，形成互连焊点。缺点是温度变化容易引起翘曲，焊料和金属间的 对准存在偏差。2）热压键合：通过加压加热使锡焊料熔化与凸点金属接 触后发生界面反应形成焊点，与回流焊的区别是：键合时间只有几秒钟 （回流焊需要十几分钟），降低翘曲发生率；键合前通过相机对准（回流 焊是自对准），精度更高，但是产出效率比回流焊低。因此热压键合更适 合微尺寸的互连。

底填料是在倒装中起到保护凸点的作用。在芯片倒装互连过程中，底部 填充料是不可或缺的材料，起到保护凸点的作用。目前 HBM 厂商使用 的底填充形式主要分为两种：1）组装后底部填充技术：先凸点互联，后 底部填充。该技术是传统填充技术，缺点是凸点间填充不完全；2）预成 型底部填充技术：先涂覆底填料至芯片，后凸点互联，凸点的互联和底 填料固化工艺同时完成。该技术是新型填充技术，优点是简化工艺，填 充更完全。随着芯片间 I/O 端口数量的增加，芯片间互联方式正从“回 流焊+组装后底部填充”转变到“热压+预成型底部填充”，而凸点间距降 低到 10 微米以下后，需要采用混合键合工艺，无需底填料。目前三星和 美光的 HBM 使用的工艺是热压+预成型底部填充，而海力士的 HBM 使 用的是研发改进后的回流焊+组装后底部填充。

TC-NCF：TC-NCF（热压键合+非导电薄膜）工艺先用 NCF 非导电薄膜填充芯片 间隙，再通过热压键合连接芯片。TC-NCF 的工艺流程：1）在圆片正面 真空层压 NCF。NCF 由丙烯酸和环氧树脂等组成，是一种底填料，用于 粘合填充。2）在圆片背面贴划片膜，接着进行划片分割；3）通过热压 键合将芯片之间堆叠固定。TC-NCF 具有成本低、操作方便等优点，缺 点是高温易导致芯片翘曲，影响良率。此外，它对芯片研磨的要求也很 高，厚度稍有不均，芯片各部分受到的压力就会变化，使良率降低。美 光和三星从生产 HBM 开始，一直使用 TC-NCF 工艺，海力士的 HBM2 使用了 TC-NCF 工艺。

MR-MUF：MR-MUF 是海力士 HBM 核心工艺，MR-MUF（大规模回流焊+注塑底填充） 工艺先通过回流焊连接芯片，再用环氧塑封料填充芯片间隙。海力士的 HBM 在市场领先，依靠的核心技术就是独家的 MR-MUF。MR-MUF 技术壁垒为： 液体环氧塑封料及注塑设备、芯片翘曲控制技术，均由海力士研发并享有独 占权。MR-MUF 流程分为两步骤：1）将带有微凸点的芯片堆叠后整体加热， 一次熔化所有微凸点的焊料，将芯片与电路连接；2）用 MUF（主要构成材 料是液体环氧塑封料）填充芯片与芯片的间隙，同时完成注塑和底填工艺。 与 TC-NCF 相比，MR-MUF 的优点：1）MR-MUF 的键合可以在空隙阶段完 成，提高工艺效率；2）MUF 具有高导热性，导热率比 NCF 高出约两倍，散 热性能改善了 10℃以上。海力士 HBM2E、HBM3、HBM3E 均使用 MR-MUF 工艺。

混合键合：三星与 SK 海力士正在研发 HBM4 将使用混合键合技术。混合键合 （hybrid bondind）是一种将介电键（SiOx）与嵌入金属（Cu）结合形 成互连的工艺技术。热压键合或回流焊工艺通常最小只能做到 10μm 节 距，对于细间距微凸点，电镀时凸点之间极小的不均匀也会影响良率和 性能，因此 10μm 节距以下只能采用混合键合技术。混合键合与传统凸 点焊接不同，其没有凸点，不需要底填料，是一种将介电键（SiOx）与 嵌入金属（Cu）结合形成互连的工艺技术，可以提高芯片间通信速度， 节距可以达到 10μm 及以下，未来有望升级至 2μm 及以下，是未来应用 于高带宽存储（HBM）的理想键合方案，三星与 SK 海力士正在研发 HBM4 预计将使用混合键合技术。