隨著AI模組中參數數量的指數級增長?，?對高性能內存的需求也在不斷增加，HBM（高帶寬存儲器）通過垂直堆疊多個DRAM芯片，并通過寬總線（通常為1024位）連接每個堆棧，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，具有廣泛的應用前景。據高盛分析師預測，全球HBM市場規模將在2023-2026年期間以約100%的年復合增長率增長，因此也驅動了相關材料需求的爆發。

本篇文章就從關鍵生產環節上簡單盤點一下隨HBM爆發式增長而受益的新材料！

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

TSV（硅通孔）環節

TSV 工藝是HBM 制造的最關鍵工藝，其具體操作是使用干法或濕法蝕刻技術在硅芯片內部形成深孔，為芯片內部提供一個直接的連接通道，以便多個DRAM芯片垂直堆疊并連接起來形成3D結構，然后通過PVD，PECVD或原子層沉積（ALD）技術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 工藝在盲孔中進行填充，最后使用化學和機械拋光（CMP）去除多余的材料，并對晶圓進行減薄。

TSV結構（來源：華芯）

在這個過程中，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散導致物理失效，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堆疊層數的不斷突破，將會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連續的導電路徑，使得信號可以在不同的芯片層之間快速傳遞，因此其選擇會直接影響HBM的電氣性能和可靠性，而銅由于超低的電阻率及成本，被認為是最合適的填充材料。目前TSV成本結構中通孔填充占比25%，銅電鍍液市場仍處于持續增長趨勢。

Micro-bumping（微凸塊）技術

TSV為導通上下層構建了物理基礎，而各層之間真正實現互聯還要進行鍵合和塑封等，而Micro-bumping是進行芯片倒裝工藝在內的先進封裝工藝的技術基礎，其主要用于將各層芯片連接起來的細微接觸點。它們可提供更加緊湊和高效的方法來實現芯片間的連接，從而為數據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，最后通過晶圓級回流焊接設備將這些凸塊制成球狀。這整個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：智能制造業圖鑒）

（1）凸塊下金屬層PVD靶材

凸點下金屬層是凸點金屬和芯片焊盤之間的連接層，常用PVD技術實現。從功能上考慮，至少需要包括黏附層、擴散阻擋層、浸潤層和抗氧化層等四層結構。

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，同時滿足熱膨脹系數接近鋁。常用的作為黏附層的金屬材料有Cr、Ti、TiW（N）、V等；

擴散阻擋層要求能有效阻止凸點材料與鋁焊盤、硅襯底材料等之間的相互擴散，避免凸點材料進入鋁焊盤，形成不利的金屬間化合物。常用的作為擴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材料良好浸潤，同時能作為凸點電鍍的種子層，在鍵合或焊接時不會與凸點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；

抗氧化層是凸點下金屬層最外層的一層很薄的金屬層，用來保護黏附層、擴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，主要采用電鍍方式制備，此外電鍍錫銀等也是常見的方案。

先進封裝工藝

HBM 采用先進封裝技術，從傳統的平面結構轉向了3D結構，這帶來了對新的材料和工藝的需求，也將推動先進封裝材料行業快速增長。

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不匹配產生的內應力，分散芯片正面承載的應力，同時也能保護焊球、提高芯片的抗跌落性、熱循環可靠性，在高功率器件中還能傳遞芯片間的熱量。目前HBM主要采用環氧塑封料（EMC）進行封裝，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氧樹脂。

（1）環氧樹脂：

環氧樹脂作為環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變化，同時其通常具有較高的機械和電氣性能、良好的著色性和優異的耐熱性，作為半導體封裝材料防止芯片受到沖擊并耐候，覆蓋電感、連接器、電源等電子元件。目前，環氧樹脂等填充材料的需求將會隨HBM層數增加而上升。

（2）球形硅微粉

硅微粉是以結晶石英、熔融石英等為原 料加工而成的二氧化硅粉體材料，作為環氧塑封料的填料，可以提高環氧 塑封料的硬度、導熱系數并減緩震動。而為最大可能地發揮硅微粉的功能，往往需要填充比達到 70%-90%，同時為避免受到α粒子的干擾，而影響產品軟錯誤率，通常采用鈾（U）和釷（Th）的含量低至ppb（十億分之一）級別的low-α射線球形硅微粉進行填充。根據astute analytica的預測，Low-α球硅到2025年在環氧塑封料領域的市場空間將分別達到87.31億元，但該產品技術壁壘高、工藝難度大，目前在全球范圍內，僅日本雅都瑪以及聯瑞新材、壹石通等國內企業有所布局。

ADMAFINE low-α射線球形氧化鋁

小結

HBM 芯片需求隨AI發展提升，上游材料端也迎來了新的發展機遇。從關鍵生產環節來看，相較傳統 DRAM，HBM 多了 TSV、Microbumping 和堆疊鍵合等關鍵工藝，PVD靶材、銅電鍍液、環氧樹脂、球形硅微粉等的需求未來有望持續增長。

參考文章：

1、材料匯《先進封裝：靶材及未來發展方向》

2、獨角獸智庫《HBM行業研究報告：AI硬件核心，需求爆發增長》

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