隨著AI模組中參數(shù)數(shù)量的指數(shù)級(jí)增長?，?對(duì)高性能內(nèi)存的需求也在不斷增加，HBM（高帶寬存儲(chǔ)器）通過垂直堆疊多個(gè)DRAM芯片，并通過寬總線（通常為1024位）連接每個(gè)堆棧，可以在占用較小面積的情況下提供顯著的高速、?高帶寬、高容量和低功耗特性，釋放AI加速器的最佳硬件性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)高盛分析師預(yù)測(cè)，全球HBM市場(chǎng)規(guī)模將在2023-2026年期間以約100%的年復(fù)合增長率增長，因此也驅(qū)動(dòng)了相關(guān)材料需求的爆發(fā)。

本篇文章就從關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)上簡單盤點(diǎn)一下隨HBM爆發(fā)式增長而受益的新材料！

相較傳統(tǒng) DRAM，HBM 多了 TSV、Microbumping 和堆疊鍵合等關(guān)鍵工藝，既使用晶圓制造材料，如光刻膠、靶材等，也使用先進(jìn)封裝材料。

TSV（硅通孔）環(huán)節(jié)

TSV 工藝是HBM 制造的最關(guān)鍵工藝，其具體操作是使用干法或濕法蝕刻技術(shù)在硅芯片內(nèi)部形成深孔，為芯片內(nèi)部提供一個(gè)直接的連接通道，以便多個(gè)DRAM芯片垂直堆疊并連接起來形成3D結(jié)構(gòu)，然后通過PVD，PECVD或原子層沉積（ALD）技術(shù)在孔壁上沉積一層二氧化硅來作為絕緣層，以及沉積一層導(dǎo)電的鈦/銅（Ti/Cu）或鉭/銅（Ta/Cu）阻擋層，再通過電鍍或者 PVD 工藝在盲孔中進(jìn)行填充，最后使用化學(xué)和機(jī)械拋光（CMP）去除多余的材料，并對(duì)晶圓進(jìn)行減薄。

TSV結(jié)構(gòu)（來源：華芯）

在這個(gè)過程中，除打孔的硅基體材料外，需要使用包括填孔材料、絕緣層、阻擋層和種子層材料等相關(guān)材料。

（1）絕緣層材料（SiO₂）：絕緣層主要用于TSV之間及TSV與硅襯底之間的導(dǎo)電隔離，目前主流使用的材料是二氧化硅。二氧化硅為低k介電材料，可有效防止電子竄擾，有助于減少信號(hào)干擾和提高整體性能。為了獲得較好的SiO₂覆蓋率，通常采用硅烷（SiH4）、正硅酸乙酯（TEOS）等作為前驅(qū)體并通過PECVD的方法來制作。

（2）阻擋層/種子層（鈦/銅、鉭/銅）：為了阻擋銅離子向硅襯底中擴(kuò)散導(dǎo)致物理失效，需要通過PVD（物理氣相沉積）或者ALD（原子層沉積）技術(shù)沉積一層Ti或者Ta作為阻擋層，再沉積一層銅作為種子層，以便后續(xù)的銅鍍層能更好地附著，且能防止電子遷移。未來，隨著HBM堆疊層數(shù)的不斷突破，將會(huì)帶來這些材料用量的成倍提升。

（3）填充材料（銅電鍍液）：填充材料的主要作用是在硅通孔中通過電鍍方式建立一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電路徑，使得信號(hào)可以在不同的芯片層之間快速傳遞，因此其選擇會(huì)直接影響HBM的電氣性能和可靠性，而銅由于超低的電阻率及成本，被認(rèn)為是最合適的填充材料。目前TSV成本結(jié)構(gòu)中通孔填充占比25%，銅電鍍液市場(chǎng)仍處于持續(xù)增長趨勢(shì)。

Micro-bumping（微凸塊）技術(shù)

TSV為導(dǎo)通上下層構(gòu)建了物理基礎(chǔ)，而各層之間真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)還要進(jìn)行鍵合和塑封等，而Micro-bumping是進(jìn)行芯片倒裝工藝在內(nèi)的先進(jìn)封裝工藝的技術(shù)基礎(chǔ)，其主要用于將各層芯片連接起來的細(xì)微接觸點(diǎn)。它們可提供更加緊湊和高效的方法來實(shí)現(xiàn)芯片間的連接，從而為數(shù)據(jù)傳輸提供了更高的速率和更低的延遲。

微凸塊的制作與TSV類似，首先濺射一層籽晶層（UBM，凸塊下方的金屬層），光刻顯影之后暴露焊盤，先后進(jìn)行銅電鍍和焊料（通常為不含鉛的錫銀合金）電鍍，完成之后去除光刻膠、通過金屬刻蝕去除UBM，最后通過晶圓級(jí)回流焊接設(shè)備將這些凸塊制成球狀。這整個(gè)流程中涉及到的材料包括PVD（靶材）、電鍍焊料等

微凸塊制造流程（來源：智能制造業(yè)圖鑒）

（1）凸塊下金屬層PVD靶材

凸點(diǎn)下金屬層是凸點(diǎn)金屬和芯片焊盤之間的連接層，常用PVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從功能上考慮，至少需要包括黏附層、擴(kuò)散阻擋層、浸潤層和抗氧化層等四層結(jié)構(gòu)。

黏附層要求與鋁焊盤及鈍化層（一般為PI）間具有較好的黏附性，與鋁焊盤間接觸電阻小，同時(shí)滿足熱膨脹系數(shù)接近鋁。常用的作為黏附層的金屬材料有Cr、Ti、TiW（N）、V等；

擴(kuò)散阻擋層要求能有效阻止凸點(diǎn)材料與鋁焊盤、硅襯底材料等之間的相互擴(kuò)散，避免凸點(diǎn)材料進(jìn)入鋁焊盤，形成不利的金屬間化合物。常用的作為擴(kuò)散阻擋層的金屬材料有Ti、TiW（N）、Ni、Cu、Pd、Pt等；

浸潤層要求能和凸點(diǎn)材料良好浸潤，同時(shí)能作為凸點(diǎn)電鍍的種子層，在鍵合或焊接時(shí)不會(huì)與凸點(diǎn)材料形成不利的金屬間化合物。常用的作為浸潤層的金屬材料一般選用Au、Ni或Cu；

抗氧化層是凸點(diǎn)下金屬層最外層的一層很薄的金屬層，用來保護(hù)黏附層、擴(kuò)散阻擋層及浸潤層的金屬不被氧化和污染，一般選用Au。

（2）電鍍焊料

Micro-bumping過程同樣離不開電鍍液，其一般為是銅柱微凸點(diǎn)，主要采用電鍍方式制備，此外電鍍錫銀等也是常見的方案。

先進(jìn)封裝工藝

HBM 采用先進(jìn)封裝技術(shù)，從傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向了3D結(jié)構(gòu)，這帶來了對(duì)新的材料和工藝的需求，也將推動(dòng)先進(jìn)封裝材料行業(yè)快速增長。

在芯片倒裝互連過程中，底部填充料是不可或缺的材料，可以緩解芯片、互連材料（微凸塊）和基板三者的熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，分散芯片正面承載的應(yīng)力，同時(shí)也能保護(hù)焊球、提高芯片的抗跌落性、熱循環(huán)可靠性，在高功率器件中還能傳遞芯片間的熱量。目前HBM主要采用環(huán)氧塑封料（EMC）進(jìn)行封裝，其主要組成成分可分為聚合物、填料、添加劑三類，其中各種成分中占比最大的兩種為填料以及環(huán)氧樹脂。

（1）環(huán)氧樹脂：

環(huán)氧樹脂作為環(huán)氧塑封料的基體樹脂，其物理特性可以使得其在很大的剛性和柔性范圍內(nèi)變化，同時(shí)其通常具有較高的機(jī)械和電氣性能、良好的著色性和優(yōu)異的耐熱性，作為半導(dǎo)體封裝材料防止芯片受到?jīng)_擊并耐候，覆蓋電感、連接器、電源等電子元件。目前，環(huán)氧樹脂等填充材料的需求將會(huì)隨HBM層數(shù)增加而上升。

（2）球形硅微粉

硅微粉是以結(jié)晶石英、熔融石英等為原 料加工而成的二氧化硅粉體材料，作為環(huán)氧塑封料的填料，可以提高環(huán)氧 塑封料的硬度、導(dǎo)熱系數(shù)并減緩震動(dòng)。而為最大可能地發(fā)揮硅微粉的功能，往往需要填充比達(dá)到 70%-90%，同時(shí)為避免受到α粒子的干擾，而影響產(chǎn)品軟錯(cuò)誤率，通常采用鈾（U）和釷（Th）的含量低至ppb（十億分之一）級(jí)別的low-α射線球形硅微粉進(jìn)行填充。根據(jù)astute analytica的預(yù)測(cè)，Low-α球硅到2025年在環(huán)氧塑封料領(lǐng)域的市場(chǎng)空間將分別達(dá)到87.31億元，但該產(chǎn)品技術(shù)壁壘高、工藝難度大，目前在全球范圍內(nèi)，僅日本雅都瑪以及聯(lián)瑞新材、壹石通等國內(nèi)企業(yè)有所布局。

ADMAFINE low-α射線球形氧化鋁

小結(jié)

HBM 芯片需求隨AI發(fā)展提升，上游材料端也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。從關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)來看，相較傳統(tǒng) DRAM，HBM 多了 TSV、Microbumping 和堆疊鍵合等關(guān)鍵工藝，PVD靶材、銅電鍍液、環(huán)氧樹脂、球形硅微粉等的需求未來有望持續(xù)增長。

參考文章：

1、材料匯《先進(jìn)封裝：靶材及未來發(fā)展方向》

2、獨(dú)角獸智庫《HBM行業(yè)研究報(bào)告：AI硬件核心，需求爆發(fā)增長》

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