全球僅三大廠能生產:揭開HBM高頻寬記憶體的製造挑戰

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在當前人工智慧 (AI) 晶片中扮演不可或缺地位的高頻寬記憶體 (HBM),其生產困難點有哪些,為什麼迄今只有全球記憶體三大廠有能力跨入該市場,外媒先前做了一個綜合性的分析。報導表示 HBM 通過使用 3D 堆疊技術,將多個 DRAM (動態隨機存取記憶體)晶片堆疊在一起,並通過矽穿孔技術 (TSV,Through-Silicon Via) 進行連接,進一步達到高頻寬和低功耗的特點。HBM 的應用中,CowoS (Chip on Wafer on Substrate)封裝技術是其中一個關鍵的生產手段。

CowoS 封裝中的 HBM 技術困難度目前歸納了幾項要點:1、3D 堆疊及 TSV 技術的挑戰;2、熱管理;3、電源和信號完整性;4、封裝技術的複雜性;5、製造成本。

在3D堆疊部分,HBM中的多個DRAM晶片需要高度精準的堆疊在一起。這需要極高的製造技術水準,以確保每層晶片的對準精度,以避免電氣性能的損失。而矽穿孔技術則需要進行精密的刻蝕和填充,稍有不慎就可能導致電氣連接問題或熱應力問題。

另一個困難點是熱管理。由於HBM晶片是3D堆疊結構,相較於傳統的2D晶片,單位體積內的熱量密度更高,這會導致晶片內部的熱量難以散發,可能引發熱失效。因此,CowoS封裝需要設計高效的熱管理方案,例如使用先進的散熱材料和結構設計,來確保晶片的熱穩定性。

電源和信號完整性也是一個重要的問題。HBM需要高頻寬的數據傳輸,這對電源分配網路提出了極高的要求。任何電源雜訊都可能影響HBM的性能,導致數據傳輸錯誤。因此,CowoS封裝必須確保穩定的電源供應和有效的雜訊抑制。此外,高速數據傳輸對信號完整性產生了挑戰,CowoS封裝需要確保在高頻環境下,信號傳輸的完整性。這涉及阻抗匹配、信號線長度優化以及減少信號干擾等技術。

封裝技術的複雜性也是一個關鍵問題。CowoS封裝需要將矽片、基板和散熱材料等多種材料整合在一起,這要求各材料的熱膨脹係數匹配,以避免因熱膨脹差異導致的機械應力和晶片損壞。此外,封裝可靠性也是一個重要考慮因素,例如在CowoS封裝中的多層結構和複雜的連接方式,都需要確保封裝的長期可靠性,包括抗機械衝擊、熱迴圈和電遷移等因素的影響。

最後,製造成本也是一個需要考慮的問題。由於CowoS封裝涉及複雜的製造技術和生產的高精度設備,其製造成本較傳統封裝方式高得多。這對量產提出了經濟性挑戰,需要在高性能和成本之間找到平衡。

總的來說,HBM在CowoS封裝中的應用,儘管面臨多方面的技術難題,但其所帶來的高頻寬和低功耗優勢,使其在高性能計算和AI晶片領域中具有巨大的潛力。隨著封裝技術的不斷進步,這些技術難題有望逐步被克服,從而進一步推動HBM技術的普及應用。

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