芯片巨頭，看上“新”技術_風聞

近兩年時間裏，三大內存廠都把HBM視為市場增長的關鍵。

尤其是在內存標準的競爭上，目前 HBM3E 使用的是基於 DRAM 的 2.5D/3D 堆疊芯片，而下一代 HBM4 採用 3D 堆疊邏輯芯片架構，允許客户集成專有 IP 以增強性能和定製，行業人士指出，3D 芯片堆疊和定製是 HBM4 時代成功的關鍵。

根據JEDEC固態技術協會發布的HBM4初步規範，HBM4將支持每個堆棧2048位接口，數據傳輸速率高達6.4GT/s，提供4高、8高、12高和16高TSV堆棧配置。這意味着HBM4的帶寬將從HBM3E的1.2TB/s提升至1.5-2TB/s，同時存儲容量也從36GB增至48GB，增幅達到33%。

但難點也隨之而來，隨着堆疊層數的不斷增加，傳統焊接技術面臨顯著的挑戰。目前所使用的助焊劑（Flux）雖能去除金屬表面氧化物並促進焊料流動，但其殘留物會引發堆疊間隙增大、熱應力集中等問題，尤其在高帶寬內存（HBM）等精密封裝領域，這一矛盾更為突出。

“新”技術的誕生

先來了解一下目前HBM芯片的鍵合技術。在傳統的倒裝芯片鍵閤中，芯片被“翻轉”，以便其焊料凸塊（也稱為 C4 凸塊）與半導體基板上的接合焊盤對齊。整個組件被放置在迴流爐中，並根據焊料材料均勻加熱至 200ºC-250ºC 左右。焊料凸塊熔化，在接合和基板之間形成電氣互連。

隨着互連密度的增加和間距縮小到 50µm 以下，倒裝芯片工藝面臨一些挑戰。由於整個芯片封裝都放入烤箱中，芯片和基板會因熱量而以不同的速率膨脹（即不同的熱膨脹係數，CTE），從而產生變形，導致互連出現故障。然後，熔融焊料會擴散到其指定區域之外。

這種現象稱為焊料橋接，會導致相鄰焊盤之間出現不必要的電連接，並可能造成短路，從而導致芯片出現缺陷。這就是TCB（Thermal Compression Bonding 熱壓鍵合）工藝發揮作用的地方，因為它可以解決間距縮小到某個點以下時倒裝芯片工藝出現的問題。

TCB的優勢在於，熱量是通過加熱工具頭局部施加到互連點上，而不是在迴流焊爐（倒裝芯片）中均勻施加。這樣可以減少向基板的熱量傳遞，從而降低熱應力和 CTE 挑戰，實現更強大的互連。對芯片施加壓力以提高粘合質量並實現更好的互連。典型的工藝温度範圍在 150ºC-300ºC 之間，壓力水平在 10-200MPa 之間。

TCB 允許的接觸密度比倒裝芯片更高，在某些情況下每平方毫米可達到 10,000 個接觸點，但更高精度的主要缺點是吞吐量較低。雖然倒裝芯片機每小時可以達到超過 10,000 個芯片的吞吐量，但 TCB 的吞吐量則在 1,000-3,000 個芯片的範圍內。

標準的 TCB 工藝還需要使用助焊劑。在加熱過程中，銅可能會氧化並導致互連故障，助焊劑是一種用於去除銅氧化物的塗層。但當互連間距縮小到 10µm 以上時，助焊劑會變得更難清除，並會留下粘性殘留物，這會導致互連發生微小變形，從而造成腐蝕和短路。

無助焊劑鍵合技術（Fluxless Bonding）由此應運而生。

為了消除與助焊劑相關的挑戰，無助焊劑TCB在真空或惰性氣體環境（如氮氣或氬氣）中運行，以防止鍵合過程中發生氧化。沒有助焊劑可提高互連的長期可靠性，因為它消除了可能導致芯片性能故障的任何污染風險。但壞消息是，它需要更嚴格的工藝控制，並且由於涉及額外步驟，吞吐量較低。

據瞭解，無助焊劑鍵合技術技術最早應用於其他半導體封裝場景，但近年來隨着HBM需求激增，逐漸成為內存製造領域的關鍵創新方向，目前不少巨頭在這一方面均有所佈局。

躍躍欲試的巨頭

最早對無助焊劑鍵合技術表示出採用意向的是美光。據TrendForce去年12月的報道，美光正在與合作伙伴測試 HBM4 的無助焊劑鍵合，以解決 DRAM 間距挑戰並增加堆棧層數，目標到 2026 年實現營收貢獻。

三星也表現出了採用意向，據韓國業內在今年3月的消息，三星正在評估包括無助焊劑在內的多種下一代HBM鍵合技術。自今年年初起，該公司已與海外主要合作伙伴展開無助焊劑鍵合的初步評估工作，目標是在今年年底前完成評估，應用對象為HBM4（第六代HBM）。

與此同時，SK海力士也在評估在HBM4工藝中應用無助焊劑鍵合技術，可以確定的是，目前主流HBM廠商均已開始考慮轉向無助焊劑鍵合技術。

為什麼HBM廠商如此熱衷於無助焊劑鍵合技術，這個問題還要從HBM採用的兩種鍵合技術説起。

HBM是通過垂直堆疊多個DRAM，從而提升數據處理性能的。其結構利用硅通孔（TSV）在每層DRAM上鑽出微小孔洞，並進行電連接，為連接每層DRAM，通常採用微凸點（Micro Bump）結構。

目前，三星和美光在HBM製造的後端工藝環節均採用了“TC-NCF（非導電膠膜）”技術。這一工藝是在各層DRAM之間嵌入NCF，並通過熱壓工藝（TC Bonding）從上至下施加熱壓，NCF在高温下融化，起到連接凸點並固定芯片的作用。

而SK海力士在前兩代HBM上也使用過TC-NCF技術，最終在HBM2E上切換到了MR-MUF技術，這一技術在每次堆疊DRAM時，會先通過加熱進行臨時連接，最終在堆疊完成後進行迴流焊以完成鍵合，隨後填充環氧模塑料（EMC），使其均勻滲透到芯片間隙，起到支撐和防污染的作用。

就目前而言，MR-MUF相較於TC-NCF具備更多優點，據 SK 海力士稱，與 NCF 相比，MR-MUF 的熱導率大約是 NCF 的兩倍，對工藝速度和產量有顯著影響。

但這一技術也並非完美，在傳統MR-MUF工藝中，通常使用助焊劑（Flux）去除微凸點上的氧化膜，隨後進行清洗。然而，隨着HBM4的I/O端口數量比前代翻倍至2024個，同時DRAM的堆疊層數增加，微凸點之間的間距縮小，導致助焊劑清洗不徹底，可能影響芯片的可靠性。

這也是無助焊劑鍵合技術興起的主要原因，它主要適用於MR-MUF，因而SK海力士在導入技術方面有着明顯的先發優勢。

有意思的是，不只是HBM廠商，封裝廠商同樣表現出了很高的採用意願，其中就有目前在先進封裝領域叱吒風雲的台積電。

據報道，自去年起，台積電就已引進無助焊劑鍵合的相關設備，並開展評估。

一直以來，台積電在2.5D封裝領域採用其自主開發的“CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）”技術。2.5D封裝是在芯片與基板之間增加硅中介層（Silicon Interposer），並將多個半導體芯片（Die）水平排列，相較於傳統的2D封裝，它可以實現更高密度的電路互連。特別是在數據中心AI加速器市場，CoWoS因其能夠連接HBM（高帶寬存儲器）與高性能GPU，而備受青睞。

台積電目前在CoWoS封裝中使用助焊劑。然而，隨着封裝技術的演進，CoWoS對助焊劑的使用面臨越來越大的挑戰。助焊劑在芯片接合後需要進行清洗，但隨着中介層尺寸的增大，中心區域的助焊劑殘留物難以徹底去除，進而影響芯片的可靠性。

由於AI加速器對計算性能的需求持續增長，封裝中需集成更多芯片，因此中介層尺寸也隨之增大。2023年，台積電的CoWoS封裝中介層尺寸約為80×80mm，相當於光掩膜（Reticle）的3.3倍大小，其計劃到2026年將其擴展至100×100mm（光掩膜的5.5倍），並在2027年進一步擴大至120×120mm（光掩膜的8倍）。

隨着中介層尺寸不斷膨脹，台積電已經在提升CoWoS良率方面遇到了一些挑戰，因此不得不關注無助焊劑等替代技術，其無需使用助焊劑即可去除微凸點上的氧化層的特性，讓台積電頗為心動。

據瞭解，台積電去年已從兩家以上的海外主要半導體設備廠商引進了無助焊劑鍵合設備，並對其在CoWoS量產中的應用進行評估。此外，該公司計劃在今年上半年與另一家合作伙伴展開進一步評估。

巨頭們的入場，讓無助焊劑鍵合登上舞台，受到了更多業內的關注。

寫在最後

值得關注的是，在無助焊劑鍵合這場比賽中賽跑不止是內存和封裝廠商，設備廠商之間也開啓了一場爭鬥。

據我們瞭解，目前可以提供無助焊劑鍵合設備的廠商主要有兩家，分別是ASMPT和K&S（Kulicke & Soffa），這兩家設備廠在無助焊劑鍵合上也採用了不同的方案，K&S採用化學方法（甲酸）去除晶圓表面的氧化層，而ASMPT（以及其他鍵合設備廠商）則採用物理方法（等離子清洗）。

截至目前，主要廠商仍然在評估這兩種方案的優劣勢，尚未正式決定無助焊劑鍵合的主要設備廠商。更有意思的是，儘管業內對無助焊劑鍵合寄予了厚望，但這項技術本身就面臨其他技術的競爭。

據報道，三星作為涉足先進封裝技術最久最深的芯片廠商之一，它是否會採用無助焊劑鍵合仍然是一個未知數，目前三星不僅在持續優化現有的NCF鍵合，還在並行研發下一代“混合鍵合（Hybrid Bonding）”技術。混合鍵合不使用凸點，而是直接連接銅互連（Cu-to-Cu），有助於減少HBM的整體厚度。

這裏要説一下，不同的鍵合技術，本質上瞄準的是不同封裝應用，從倒裝鍵合到助焊劑TCB，封裝I/O間距從200μm縮小到30μm，而無助焊劑TCB將進一步縮小間距尺寸至20μm，最大可達10μm，當I/O間距小於10μm時，就輪到混合鍵合出場了。

但在目前HBM的封裝需求中，主要還是 10-30μm 之間的 I/O 間距，此時無助焊劑 TCB 與混合鍵合相比具有顯著的性價比優勢，因為混合鍵合需要額外的昂貴工藝，如 CMP（HB 對錶面平整度的要求非常高，通常 <0.5nm Ra）和等離子切割（為防止鍵合過程中的顆粒污染，傳統的刀片切割容易產生顆粒，因此無法使用），這些因素使得混合鍵合的單位封裝成本比無助焊劑鍵合貴 2.8 倍以上。

這也是三星以及其他廠商猶豫不絕的原因之一，無助焊劑鍵合只能作為一種妥協的過渡方案，並非未來鍵合的終極解決方案。

韓國業內人士指出：“隨着HBM的微凸點數量和堆疊層數的增加，NCF在可靠性和散熱特性上的表現可能會受到限制，而混合鍵合技術尚未成熟。因此，三星電子將無助焊劑作為潛在替代方案之一，但由於需要更換整套設備基礎設施，這一決策需要慎重考慮。”

因HBM的火熱，無助焊劑鍵合被捧成了香餑餑，但這項新技術的未來，似乎仍然不甚明朗。