本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

隨著HBM5的到來，冷卻的重要性將顯著提升。

據(jù)《The Elec》報道，韓國科學(xué)技術(shù)研究院 (KAIST) 教授 Joungho Kim 表示，隨著領(lǐng)先的內(nèi)存制造商在 HBM 開發(fā)方面取得進(jìn)展，一旦 HBM5 進(jìn)入商業(yè)化階段（可能在 2029 年左右），冷卻技術(shù)預(yù)計(jì)將成為一個關(guān)鍵的競爭因素。

正如報告中所指出的，Kim 解釋說，雖然封裝目前是半導(dǎo)體制造的主要差異化因素，但隨著 HBM5 的到來，冷卻的重要性將顯著提升。他進(jìn)一步指出，隨著從 HBM4 開始，基礎(chǔ)芯片開始承擔(dān) GPU 的部分工作負(fù)載，導(dǎo)致溫度升高，冷卻變得越來越關(guān)鍵。

Kim 強(qiáng)調(diào)，目前 HBM4 使用的液冷方法（將冷卻液施加到封裝頂部的散熱器上）在未來將面臨局限性。為此，HBM5 結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)將采用浸沒式冷卻，將基座芯片和整個封裝都浸入冷卻液中。

此前，韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KAIST Teralab）公布了HBM4至HBM8的技術(shù)路線圖，涵蓋2025年至2040年。該路線圖概述了HBM架構(gòu)、冷卻方法、TSV密度、中介層等方面的進(jìn)展。金教授還指出，正如報告所示，預(yù)計(jì)通過異構(gòu)和先進(jìn)的封裝技術(shù)，基礎(chǔ)芯片將轉(zhuǎn)移到HBM堆棧的頂部。

未來的 HBM 架構(gòu)和冷卻創(chuàng)新

HBM的散熱問題是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。隨著存儲器產(chǎn)品的發(fā)展，散熱問題愈發(fā)嚴(yán)峻，導(dǎo)致這一問題的原因有多個：例如，由于表面積減少和功率密度增加，半導(dǎo)體微型化會直接影響產(chǎn)品的散熱性能；對于HBM這樣的DRAM堆疊產(chǎn)品，熱傳導(dǎo)路徑較長會導(dǎo)致熱阻增加，熱導(dǎo)性也會因芯片之間的填充材料而受限；此外，速度和容量的不斷提升，也會導(dǎo)致熱量增加。

若無法充分控制半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量，可能會對產(chǎn)品性能、生命周期和功能產(chǎn)生負(fù)面影響。這是客戶重點(diǎn)關(guān)注的問題，因?yàn)榇祟悊栴}會嚴(yán)重影響其生產(chǎn)力、能源成本和競爭力。

報道稱，HBM7 需要嵌入式冷卻技術(shù)，以允許冷卻液在堆疊的 DRAM 芯片之間流動，為此，Kim 教授引入了流體硅通孔 (TSV)。除了標(biāo)準(zhǔn) TSV 之外，還將采用新型通孔，包括熱通孔 (TTV)、柵極 TSV 和熱通孔 (TPV)。

HBM7 預(yù)計(jì)還將與高帶寬閃存 (HBF) 等新架構(gòu)集成，其中 NAND 閃存采用 3D 堆疊結(jié)構(gòu)，類似于 HBM 中的 DRAM。展望未來，正如報告中強(qiáng)調(diào)的那樣，HBM8 將直接在 GPU 上安裝內(nèi)存。

鍵合技術(shù)是 HBM 性能的關(guān)鍵

此外，Kim 還表示，除了冷卻之外，鍵合也將成為決定 HBM 性能的另一個關(guān)鍵因素。Kim 表示，從 HBM6 開始，將引入一種結(jié)合玻璃和硅的混合中介層。

TrendForce也指出，DRAM 行業(yè)對 HBM 產(chǎn)品的關(guān)注度正日益轉(zhuǎn)向混合鍵合等先進(jìn)封裝技術(shù)。各大 HBM 制造商正在考慮是否在 HBM4 16hi 堆疊產(chǎn)品中采用混合鍵合技術(shù)，但已確認(rèn)計(jì)劃在 HBM5 20hi 堆疊產(chǎn)品中采用該技術(shù)。

晶圓鍵合也被稱為混合鍵合，即芯片垂直堆疊，通過硅穿孔（TSV）或微型銅線連接，I/O直接連接，沒有用到凸塊連接。根據(jù)芯片堆疊方式，還有分為晶圓到晶圓（wafer-to-wafer）、晶圓到裸晶（wafer-to-die）和裸晶到裸晶（die-to-die）。

現(xiàn)在的DRAM是在同一晶圓單元層兩側(cè)周邊元件，這會使表面積擴(kuò)大，而3D DRAM則是基于現(xiàn)有的平面DRAM單元來做垂直堆疊，就像目前的3D NAND的單元垂直堆疊一樣。三星和SK海力士都計(jì)劃在不同DRAM晶圓上制造“單元”（Cell）和周邊元件（peripherals），然后再通過混合鍵合連接，這將有助于控制器件的面積、提高單元密度。

SK海力士曾在其第三代8層堆疊的HBM2E上進(jìn)行過測試，使用混合鍵合制程后，通過了所有可靠性測試。SK海力士還評價了該HBM在高溫下的使用壽命，檢查產(chǎn)品出貨后客戶在芯片黏合過程中可能出現(xiàn)的潛在問題。目前，SK海力士計(jì)劃在新一代的HBM4上采用混合鍵合技術(shù)。

目前三星也在研究4F Square DRAM，并有望在生產(chǎn)中應(yīng)用混合鍵合技術(shù)。4F Square是一種單元數(shù)組結(jié)構(gòu)，與目前商業(yè)化的6F Square DRAM相比，可將芯片表面積減少30%。

另外，三星在其論文中指出，未來16層及以上的HBM必須采用混合鍵合技術(shù)。三星稱，降低堆疊的高度是采用混合鍵合的主因，內(nèi)存高度限制在775微米內(nèi)，在這高度中須封裝17個芯片（即一個基底芯片和16個核心芯片），因此縮小芯片間的間隙，是內(nèi)存大廠必須克服的問題。

*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個人觀點(diǎn)，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認(rèn)同，如有異議，請聯(lián)系后臺。