HBM概念、工作原理及加工工艺有哪些？

HBM 历经多次更迭，堆叠层数更多、容量更大、带宽更高，性能全面提升。

HBM 是一种用于 3D 堆叠 SDRAM（同步动态随机存取内存）的计算机内存接口，可用于服务器、 高性能计算。单个 DRAM Die 垂直堆叠以缩短数据传输的距离， Die 之间用 TSV（Through Silicon Via，硅通孔技术）和微凸块相连接。多层 DRAM die 与下 层的 Logic Die（逻辑控制单元）相连，逻辑控制单元中包括缓冲电路和测试逻辑，可对堆 叠的 DRAM 进行控制。CPU/GPU 和 DRAM 可通过中介层（Interposer）和微凸块（uBump）连通。 TSV 硅通孔是 HBM 实现容量和带宽扩展的核心，通过在整个硅晶圆厚度上打孔，在芯片正面 和背面之间形成数千个垂直互连。TSV 技术是目前唯一的垂直电互联技术，是实现 3D 先进封 装的关键技术之一，具有多个优势：（1）高密度集成。通过先进封装，可以大幅度地提高电 子元器件集成度，减小封装的几何尺寸和封装重量；（2）电性能高：大幅度缩短电互连的长 度，克服信号延迟问题；（3）多功能集成：可以把不同的功能芯片(如射频、内存、逻辑、数 字和 MEMS 等)集成在一起实现电子元器件的多功能；（4）成本低：在元器件的总体水平上降 低制造成本。

HBM 的制造工艺包括 TSV、Bumping 和堆叠等工艺。HBM 生产主要 是半导体工艺和晶圆级封装，其中半导体工艺与一般 DRAM 制造工艺没有显著不同，但制备 具有通孔 TSV 结构需要额外工艺，如通过蚀刻形成通孔，在金属化后端制程前填充铜并进行 抛光；晶圆级工艺主要指 Bumping（圆片级凸点）工艺，即在晶圆 Pad 上形成焊料凸点。之 后将载体晶圆剥离并粘贴在承载薄膜上，待完成芯片堆叠后通过二次工艺完成封装。

CoWoS 是一种把晶片堆叠再封装于基板上的先进封装技术，分为 2.5D 封装和 3D 封装。HBM 和 CPU/GPU 或 ASIC 共同连接在中介层上， 通过 CoWoS 2.5D 封装工艺相连，中介层通过铜凸点连接至封装基板上，最后通过锡球与下 方 PCB 基板相连。2.5D 与 3D 封装技术在于堆叠方式，2.5D 封装指将晶片堆叠 于中介层上，以水平堆叠的方式，主要应用于拼接逻辑运算 ASIC 和 HBM；3D 封装则以垂直堆 叠晶片的方式，主要面向高效能逻辑晶片、SoC 制造等。目前先进封装已经面临 7nm 以下的 技术，CoWoS 主要由台积电进行制造。

HBM 历经多次更迭，堆叠层数更多、容量更大、带宽更高，性能全面提升。AMD 于 2008 年开 始开发 HBM，以解决计算机内存功耗和尺寸不断增加的问题。2013 年 SK Hynix 制造了第一 颗 HBM 存储芯片，同年 10 月 HBM 被 JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council，固体技术协会）采用为行业标准 JESD235。目前 HBM 已迭代到 HBM3e，Sk Hynix 将于今年上 半年开始投入 HBM3e 量产。

截至 2022 年，HBM 市场份额基本由 SK Hynix（50%）、三星（40%）、美光（10%）三大存储器 厂商占据。SK Hynix 当前技术领先，核心在于 MR-MUF 技术，MR-MUF 能有效提高导热率，并 改善工艺速度和良率。SK 海力士于 2021 年 10 月率先发布 HBM3，2023 年 4 月公司实现了全 球首创 12 层硅通孔技术垂直堆叠芯片，容量达到 24GB，比上一代 HBM3 高出 50%，SK 海力士 计划在 2023 年年底前提供 HBM3e 样品，并于 2024 年量产，公司目标 2026 年生产 HBM4。 三星则有万亿韩元新建封装线，预计 25 年量产 HBM4。为应对 HBM 市场的需求，三星电子已 从三星显示（SamsungDisplay）购买天安厂区内部分建筑物和设备，用于建设新 HBM 封装线， 总投资额达到 7000-10000 亿韩元。

三星预计将在 2023Q4 开始向北美客户供应 HBM3。 美光则将在 2024 年量产 HBM3e，多代产品研发中。美光在此前的财报电话会议上表示将在 2024 年通过 HBM3e 实现追赶，预计其 HBM3E 将于 2024Q3 或者 Q4 开始为英伟达的下一代 GPU 供应。2023 年 11 月 6 日美光在台湾台中四厂正式开工，宣布将集成先进的探测和封装测试 功能，生产 HBM3E 等产品。 目前市场主流产品为 HBM3，预计从 2024 年起市场关注焦点由 HBM3 转向HBM3e。据TrendForce 集邦咨询调查，第一季由 SK 海力士率先通过验证，美光紧跟其后，并于第一季底开始递交 HBM3e 量产产品，以搭配计划在第二季末铺货的 NVIDIA H200。三星由于递交样品的时程较 其他两家供应商略晚，预计其 HBM3e 将于第一季末前通过验证，并于第二季开始正式出货。 由于三星 HBM3 的验证已经有了突破，且 HBM3e 的验证若无意外也即将完成，这也意味着该 公司的出货市占于今年末将与 SK 海力士拉近差距。