Hybridní spojování, staňte se čipovou celebritou

0040-02544 Horní část těla, Dps Meta

0020-33806 Dps horní komory + Poly

 

HybridníBonding,Bstát se "Čip" Osobnost

Jak Moore's Law postupně vstupuje do druhé poloviny své vývojové trajektorie, čipový průmysl stále více spoléhá na pokročilou technologii balení, aby zajistil skoky ve výkonu. Jak se obalová technologie posouvá od plochého k vícerozměrnému 2,5D a 3D, technologie propojení se stává klíčem ke klíči. Tváří v tvář zvyšující se složitosti a požadavkům na výkon 3D balení tradiční propojovací technologie, jako je spojování drátů, spojování flip čipů a spojování přes křemík (TSV), stále více odhalují svá omezení. V této souvislosti se technologie hybridního spojování stává novým miláčkem průmyslu díky svému revolučnímu potenciálu propojení.

Existují čtyři hlavní propojené technologie

(Zdroj: SK hynix)

Hybridní spojování neboli Hybridní spojování lze použít dvěma hlavními způsoby. První je wafer-to-wafer, který se používá v CIS a NAND, kde hybridní spojování prokázalo svou účinnost. Měděná hybridní vazba se poprvé objevila v roce 2016, kdy Sony tuto technologii použilo pro obrazové snímače CMOS; Druhým je hybridní spojování mezi destičkami a destičkami, které je obtížnější než spojování destiček s destičkami, ale tato změna procesu dává smysl pro logiku a paměť s vysokou šířkou pásma (HBM).

Kroky hybridního lepení mezi plátkem a plátkem (W2W) (Zdroj: Použité materiály)

Kroky hybridního lepení matrice-to-wafer (D2W) (Zdroj: Použité materiály)

Technologie hybridního spojování má následující vlastnosti: 1) umožňuje přímé propojení různých čipových vrstev, jako jsou paměťové vrstvy a logické vrstvy, aniž by procházely skrz křemíkové průchody (TSV), což výrazně zvyšuje rychlost přenosu signálu a snižuje spotřebu energie; 2) minimalizuje délku drátu prostřednictvím přímého spojení měď-měď mezi čipem a plátkem; 3) Ve srovnání s tradiční technologií TSV snižuje hybridní spojování potřebu fyzických spojení mezi vrstvami, což má za následek kompaktnější návrhy čipů a umožňuje vyšší výkon a hustotu. Uvádí se, že při použití hybridního spojování lze spojit 10,000 až 100,000 průchozích otvorů na ploše 1 milimetru čtvereční; 4) Hybridní spojování také snižuje mechanické namáhání uvnitř čipu, zlepšuje celkovou spolehlivost produktu a zároveň podporuje vyšší rychlosti přenosu dat a nižší spotřebu energie.

Hybridní spojování se stalo klíčovou technologií pro stavbu čipů a budoucí 3D balení a je jednou z klíčových technologií pro dosažení vysoce výkonného, ​​vysoce hustého a nízkoenergetického návrhu čipu. V tomto kontextu továrny na oplatky, skladovací továrny a továrny na vybavení hledají hybridní spojování.

Průkopníci hybridního spojování

Technologie hybridního spojování se stala konsensem v průmyslu výroby waferů, přičemž průmysloví giganti jako TSMC, Samsung a Intel závodili ve vývoji 5nm a pokročilejších procesních technologií. V tomto procesu je technologie hybridního spojování obzvláště důležitá a je považována za jediný způsob, jak jít pro špičkovou výrobu.

TSMC: Jediná společnost, která komercializuje hybridní spojování

V oblasti hybridního lepení má největší slovo TSMC, světová slévárenská jednička. TSMC je dosud jedinou čipovou společností, která komercializuje hybridní spojování. 3D balíček-SoIC od TSMC je použitá hybridní spojovací technologie a služba nazvaná 3DFabric byla aplikována na AMD V-Cache. Podle veřejných informací společnosti TSMC poskytuje technologie SoIC díky inovativním řešením spojování silnou škálovatelnost rozteče vazeb pro I/O čipu, což umožňuje propojení mezi čipy s vysokou hustotou. Rozteč vazby začíná pravidlem menším než 10 μm. Krátká spojení mezi čipy mají menší tvarový faktor, větší šířku pásma, lepší integritu napájení (PI), integritu signálu (SI) a nižší spotřebu energie než dnes nejpokročilejší obalová řešení.

SoC-Exceptional-scalability Zobrazuje TSMC

(Zdroj: TSMC)

Technologie SoIC společnosti TSMC integruje homogenní a heterogenní čiplety do jediného čipu podobného SoC s menším půdorysem a tenčím tvarovým faktorem, který lze holisticky integrovat do pokročilého WLSI (aka CoWoS services and InFO). Vizuálně nově integrovaný čip vypadá jako univerzální SoC čip, ale obsahuje požadované heterogenní integrační funkce.

Outlook srovnání SoIC与SoC(zdroj:TSMC)

Samsung: Aktivně zavádí hybridní spojování

Samsung Electronics začíná seriózně zavádět hybridní spojování, přičemž „jedna noha“ společnosti Samsung rozšíří své slévárenské schopnosti a druhá noha bude moci využívat HBM.

Podle zpráv z průmyslu z 1. února instalují Besi Semiconductor a Applied Materials zařízení související s hybridním lepením v kampusu společnosti Samsung Electronics v Cheonan. Cheonan Campus je pokročilá výrobní základna obalů společnosti Samsung Electronics. Očekává se, že zařízení bude použito v obalových řešeních nové generace, jako jsou X-Cube a SAINT. Podle odborníků z oboru: "Pokud vím, zařízení se používá pro nepaměťové balení."

Je zřejmé, že nejnovější investicí společnosti Samsung Electronics je především posílení jejích pokročilých obalových schopností. Samsung Electronics se připravuje na uvedení X-Cube s hybridním propojením. Průmysl předpovídá, že hybridní spojování lze aplikovat také na platformu Saint, kterou Samsung Electronics plánuje spustit od letošního roku. Společnost plánuje nabízet služby 3D balení, jako je Saint-S (skládání SRAM na logické čipy), Saint-L (skládání logických čipů na logické čipy) a Saint-D (skládání čipů DRAM na logické čipy).

Předpovědi odvětví naznačují, že investice Samsung Electronics do hybridních spojovacích zařízení by si mohla získat srdce velkých zákazníků, jako jsou Nvidia a AMD. To je způsobeno rostoucí poptávkou po hybridním spojování v balíčcích CoWoS používaných v čipech AI těchto fiktivních zákazníků. Na druhou stranu HBM4 od Samsungu bude uveden na trh v roce 2025, podle redakčního blogového příspěvku, který na blogu Samsung zveřejnil SangJoon Hwang, výkonný viceprezident a vedoucí produktového a technologického týmu DRAM ve společnosti Samsung Electronics. Paměť HBM4 bude obsahovat technologie optimalizované pro vysoký tepelný výkon, jako je montáž nevodivé fólie (NCF) a hybridní měděné spojování (HCB).

Intel: Hybridní spojování je na obzoru

Na konferenci IEDM v roce 2022, 75. výročí tranzistorů, společnost Intel demonstrovala svou ambici zvýšit hustotu technologie balení desetkrát pomocí technologie hybridního spojování. Intel plánuje použít tuto technologii ve své 3D balicí technologii Foveros Direct, která byla uvedena na trh v loňském roce. Na letošním ECTC Intel zveřejnil článek o technologii hybridního spojování. Technologie na levé straně diagramu se nazývá Foveros, s hrbolky vzdálenými 50 mikronů od sebe a asi 400 hrbolky na čtvereční milimetr. V budoucnu má Intel za cíl snížit rozteč hrbolů na přibližně 10 mikronů a dosáhnout 10,{8}} hrbolů na čtvereční milimetr.

Níže uvedený diagram porovnává tradiční techniky hrbolkového lepení s technikami hybridního lepení. Technologie hybridního spojování snižuje rozteče propojení na méně než 10 mikronů ve srovnání s nedostatečnou výplní, což má za následek vyšší proudovou kapacitu, hustší hustotu propojení mědi a lepší tepelný výkon. Technologie hybridního lepení však vyžaduje nové metody výroby, manipulace, čištění a testování.

Podle zpráv se očekává, že Intel jako první zavede technologii hybridního spojování mezi svými logickými čipy a propojovacími prvky v roce 2024. Očekává se, že Foveros Direct použije hybridní způsob spojování matrice-wafer s očekávanou roztečí mezi 9 a 10 mikronů. Pro srovnání, produkty Intel Meteor Lake mají rozteč 36 mikronů pomocí technologie horkého kompresního spojování (TCB), zatímco produkty Lakefield mají rozteč 55 mikronů pomocí technologie bump spojování přes křemíkové průchody (TSV).

SK hynix: HBM je první, kdo zavádí hybridní spojování

Výrobce úložiště SK hynix také pohlíží na hybridní lepení. V loňském roce se SK hynix stal velkým ziskem tohoto kola boomu umělé inteligence tím, že vedl v oblasti čipů s vysokou šířkou pásma (HBM). Co ale možná nevíte, je, že SK hynix je známá také obalovou technikou. Například technologie balení CoC (Chip on Chip) společnosti SK hynix může elektricky propojit dva (nebo více) čipů dohromady bez potřeby TSV (průchozí křemíkové průchody). Společnost K hynix rovněž vyvinula pokročilé technologie balení, jako je heterogenní integrace a technologie fan-out RDL. V loňském roce si SK hynix udržel svou pozici lídra v oblasti HBM tím, že se chopil vedení při zavádění procesu velkoobjemového reflow formování podvýplně (MR-MUF) při výrobě páté generace HBM.

Technologie MR-MUF společnosti SK hynix zlepšuje kvalitu propojení HBM o více než 100,000 mikrovýrazů. Kromě toho technologie balení maximalizuje počet tepelných virtuálních nárazů a poskytuje vynikající odvod tepla ve srovnání s konkurencí díky použití vysoce tepelně vodivého výplňového materiálu (MUF). Tento pokrok pomohl SK hynix zvýšit svůj podíl na trhu HBM a nakonec zaujmout vedoucí pozici v segmentu HBM3.

Dnes SK hynix aktivně propaguje nový proces „hybridního lepení“ v čipech HBM, aby si udržela své vedoucí postavení na světovém trhu. Proč tedy HBM používá technologii hybridního spojování? Nejprve se seznamme s čipy HBM, tzv. HBM, což je vlastně paměť, která zvyšuje rychlost zpracování dat naskládáním počtu vrstev DRAM. S vrstvou DRAM je spojen především pomocí výplně TSV+. Podle SK hynix mají čipy HBM v současnosti standardní tloušťku 720 mikrometrů (μm). "Když počet vrstev HBM dosáhne 12 nebo více, může nastat problém s výškou, který je třeba vyřešit pomocí technologie hybridního spojování," řekl na konferenci Kang Ji-ho, vedoucí spojování waferů ve společnosti SK hynix. . SK hynix očekává, že šestá generace HBM (HBM4), která bude sériově vyráběna kolem roku 2026, bude vyžadovat až 16 vrstev, což představuje obrovskou výzvu pro stávající technologii balení.

Technologie hybridního spojování je budoucností sektoru HBM. Zjednodušeně řečeno, pokud si představíte HBM jako vícepodlažní budovu, z nichž každá má za úkol ukládat data, když je příliš velkých pater, tradiční spojení přes křemíkové průchody (TSV) + samo o sobě není stačí k udržení jeho stability a spolehlivosti. Technologie hybridního spojování je jako nanesení speciálního „lepidla“ mezi každou vrstvu, takže nejsou potřeba žádné další podpěry, které by vrstvy držely na místě, a tloušťku čipu lze výrazně snížit.

Stručně řečeno, s technologií hybridního spojování byli schopni vytvořit paměťové čipy na vysoké úrovni, které byly efektivní a malé. Hybridní spojování je také známé jako „technologie balení snů“. SK hynix bude i nadále vést vývoj technologie HBM tím, že v letošním roce oznámí aplikaci hybridního lepení na produkty HBM4, což způsobí revoluci ve výkonu a spotřebě energie produktů HBM4.

V současné době společnost SK hynix dosáhla určitého pokroku. Na celosvětové konferenci o polovodičích IEDM 2023, která se konala ve Spojených státech v prosinci minulého roku, SK hynix odhalil, že zajistil spolehlivost procesu hybridního spojování používaného při výrobě HBM. Společnost oznámila, že její produkt HBM třetí generace (HBM2E) používá 8-vrstvu DRAM a úspěšně prošel všemi testy spolehlivosti po zavedení procesu hybridního spojování. V tomto testu SK hynix vyhodnotil životnost HBM ve vysokoteplotním prostředí a prozkoumal potenciální problémy, které mohou nastat během procesu pájení čipu zákazníka, pokrývající čtyři hlavní aspekty. Přestože byl tento test proveden na třetí generaci produktu, která je mnohem nižší než specifikace HBM4, také demonstruje potenciál hybridní vazby.

Výsledky testu spolehlivosti HBM2E pomocí hybridního spojování SK hynix

Očekává se, že SK hynix bude komercializovat svou technologii hybridního spojování v letech 2025 až 2026. Nejnovější zprávy korejských médií poukázaly na to, že SK hynix a TSMC nedávno společně zahájily alianci nazvanou „Strategie jednoho týmu“ a oba společně vyvinou šestou generaci Čipy HBM (high bandwidth memory), konkrétně HBM4. V rámci této spolupráce se očekává, že TSMC převezme výrobu části procesu čipu HBM4, který může konkrétně zahrnovat klíčové balicí procesy pro zvýšení kompatibility a výkonu produktu. V reakci na to SK hynix řekl: "Společnost nekomentuje detaily aliance."

Výrobci zařízení, „prodavači lopat“ hybridního lepení

Technologie hybridního spojování není snadný úkol. Hlavním technickým problémem bylo dosáhnout bezvadného spojení měď-měď za ekonomické náklady s téměř nulovou chybou zarovnání čip-čip. To vyžaduje významné změny v upstream a downstream procesech a také v konstrukci zařízení. Klíčovou roli zde hraje integrovaný vývoj procesů a kooptimalizace. Při provádění hybridního spojování mezi čipy nebo wafery musí být jejich povrchy udržovány na nejvyšší úrovni čistoty blízko atomární úrovni a zásadním krokem je přesné vyrovnání a spojení křemičité izolace s měděnými kontakty. Tento proces vyžaduje extrémně čisté a vysoce přesné spojovací zařízení. Za prvé, čisticí a plazmou aktivované zařízení musí být plně připraveno na lepení. Ihned poté, ve druhé fázi, je integrovaný obvod přesně umístěn na wafer pomocí spojovacího stroje. Vzhledem k požadavkům na špičkovou přesnost těchto zařízení jsou relativně nákladná a srovnatelná s cenou předních výrobních zařízení. Podle nabídky Besi se náklady na každé spojovací zařízení pohybují mezi 2 miliony a 2,5 miliony eur.

V oblasti hybridního spojování patří mezi hlavní dodavatele zařízení Applied Materials, KLA Tencor, Lam Research, ASM Pacific Technology (ASMPT) a BE Semiconductor Industries (BESI). Stejně jako byly lopaty a síta pro zlatokopy v éře zlaté horečky zásadní, hybridní spojovací zařízení je nezbytným nástrojem pro výrobce čipů k dosažení technologických průlomů. Přesnost, spolehlivost a inovace jejich zařízení přímo souvisí s tím, zda mohou výrobci čipů zvítězit v tvrdé konkurenci na trhu.

Díky dlouhodobým vztahům se společnostmi Intel a TSMC má nizozemský back-endový specialista Besi v současnosti dobrou pozici v oblasti hybridního spojování čip-to-wafer. Podle svého generálního ředitele Brickmana před osmi lety společnost Semiconductor Manufacturing Company požádala společnost Besi, aby začala vyvíjet pojiva pro její technologii. "TSMC nám pomohla během celé křivky učení," řekl loni v rozhovoru s Pierrem Ferragu z New Street Research. "Jsme v jedinečné situaci se správnými zákazníky. Od začátku vybíráme vítěze. Spolupráce s Applied Materials je extrémně nápomocná při pochopení požadavků na prostředí čistých prostor."

BESI a Applied Materials úzce spolupracují v oblasti hybridního lepení. Od října 2020 Besi a Applied vyvíjejí svou technologii založením Centra excelence (CoE) v Singapuru. Podíváme-li se na portfolia hybridního lepení obou společností, Besi se zaměřuje na hromadnou výrobu hybridního spojovacího zařízení pro připojení matrice, zatímco společnost Applied vyrábí širokou škálu zařízení od zařízení pro dielektrické nanášení po plazmová zařízení a zařízení pro chemicko-mechanické leštění (CMP). Systémy Applied Insepra SiCN a Catalyst CMP umožňují nejmodernější hybridní lepení a vylepšené povrchové úpravy pomocí nových materiálů. Jak již bylo zmíněno dříve, výrobní linka Samsungu je také výsledkem společného úsilí Besi a Applied Materials. Celkové náklady na vybudování čistící a lepicí linky se podle Besi pohybují kolem 5 milionů až 6 milionů eur. Applied Materials a Besi každý tvoří polovinu z toho, v závislosti na aplikaci – paměť nebo logické čipy. Objednávky skutečně začnou růst v roce 2023, takže se tyto plány zdají být poněkud zpožděny, ale Besi říká, že již má kapacitu na výrobu 180 hybridních bonderů ročně. Pokud bude tato kapacita plně využita, bude to znamenat dalších 400 milionů eur v tržbách.

EV Group v Rakousku již řadu let dodává plazmou aktivovaný systém pro čištění čipů a waferů a přípravu systému pro umístění. Společnost EVG se spojila se společností ASM Pacific, která poskytuje bondery. Společnost EVG se osvědčila na trhu s hybridním lepením plátků na pláty a se stovkami strojů je na tomto trhu vedoucí. Senzory v téměř všech mobilních telefonech procházejí procesem wafer-to-wafer se zařízeními EVG. Na trhu špičkových snímačů CMOS soutěží EVG s japonským TEL.

Název: Skupina EV