人工智能和高性能计算需求的迅猛增长，高带宽存储器（HBM）技术已成为 DRAM 产业的核心焦点。
混合键合（Hybrid Bonding, HB）技术作为一种新型芯片互连方式，因其在堆叠能力、性能提升和热管理方面的显著优势，逐渐被视为 HBM 技术发展的关键驱动力。尤其是在 HBM5 20hi 世代中，HB 技术已被明确采用，而在 HBM4E 或 HBM4 16hi 世代中，其应用与否仍处于评估阶段。
我们将讨论 HB 技术在 HBM4E 和 HBM5 中的必要性，探讨其技术优势、面临的挑战以及对产业链和商业模式的影响。
HB 技术并非 HBM4E 的“必须”选项，但在 HBM5 中却是实现更高性能和堆叠层数的必然选择，HB 技术的成熟将决定其是否成为 HBM 技术的主流趋势。
Part 1.混合键合技术在 HBM4E 中的必要性分析
HBM4E 作为 HBM4 的增强版本，进一步提升带宽和容量，以满足日益增长的高性能计算需求。根据 JEDEC 标准，HBM 模块高度在 HBM3E 及以上世代为 775 µm，而堆叠层数从 12hi 逐步向 16hi 扩展。
HBM3E 12hi 和 HBM4 12hi 主要依赖传统微凸块（Micro Bump）技术，采用成熟的 Advanced MR-MUF（模压多点封装）和 TC-NCF（热压非导电膜）堆叠架构。
这些技术在成本效益和生产稳定性方面具有显著优势。例如，AMD MI300X 中的 12 层堆叠 HBM3 设备已将芯片厚度从 55 µm 减至 37 µm，以适应 JEDEC 的高度限制。
对于 HBM4 16hi，堆叠层数的增加对互连技术提出了更高要求。微凸块技术虽能支持 16hi 堆叠，但随着芯片厚度和间隙的进一步减小，其在堆叠高度、I/O 密度和热管理方面的局限性逐渐显现。
混合键合技术通过直接键合晶圆，消除了微凸块和填充材料，能够显著减小堆叠间隙并支持更高层数。HBM4 16hi 是否必须采用 HB 技术，仍需从技术成熟度和成本效益两方面进行评估。
混合键合（HB）技术在 HBM4E 中的应用展示了显著的优势与一定的局限性。
主要优势在于提升了堆叠能力，由于无需微凸块，支持更薄的堆叠间隙和更高的层数，例如当芯片厚度减至 20 µm 时，HB 技术能够轻松实现 16hi 甚至 20hi 堆叠，而微凸块技术在此方面面临高度控制和翘曲问题的挑战；
通过缩短互连路径和提高 I/O 密度，HB 技术优化了数据传输速度和带宽，这对于满足 HBM4E 高性能目标至关重要，并且直接键合减少了热阻，提高了高负载应用中的可靠性。
HB 技术也存在局限，包括在 HBM4 16hi 阶段技术尚未完全成熟，晶圆对晶圆堆叠模式对洁净度和对准精度要求极高导致良率控制成为难题，同时需要新设备和工艺投入使得单位成本高于微凸块技术，在 16hi 堆叠中性能增益未达到质变水平，难以成为“必须”选择。
在 HBM4E 的技术选择评估过程中，尤其是在 12hi 阶段，微凸块技术因其成熟性和成本效益仍然是主流选择。即使到了 16hi 阶段，部分企业开始评估 HB 技术，但其并非强制使用。
通过工艺优化，微凸块技术仍能在芯片厚度降至 20 µm 的情况下支持 16hi 堆叠，在热管理和 I/O 密度上可能稍逊一筹。
● 制造商的选择将基于市场需求、投资回报和技术准备等多方面考量：
◎ 如果客户如 GPU 厂商对带宽和散热的要求未达到极限，微凸块技术已经足够应对；
◎ 考虑到 HB 技术初期的高成本，可能会推迟其大规模采用；
◎ 掌握 HB 技术需要一定时间积累经验，因此更多地可能是为未来 HBM5 的发展铺路。
在 HBM4E 特别是 16hi 阶段，混合键合技术作为一种可选项而非“必须”，可能继续沿用微凸块技术，同时在研发中推进 HB 技术的成熟以备后续世代使用。
Part 2.混合键合技术在 HBM5 中的必要性分析
在 HBM5 20hi 世代，三大主要 HBM 制造商（三星、美光、SK 海力士）已确定采用混合键合（HB）技术，标志着 HB 技术正式进入 HBM 领域并成为实现更高堆叠层数（如 20hi 甚至 24hi）、更强 I/O 性能和更好散热能力的关键。
HBM5 旨在满足未来人工智能和高性能计算的极端需求，根据 JEDEC 标准，775 µm 的模块高度限制要求芯片厚度和间隙进一步压缩。
在 20hi 堆叠中，微凸块技术由于其 14.5 µm 的凸块高度难以控制高度和翘曲问题，而 HB 技术凭借其无间隙结构成为必然选择。
● 混合键合在 HBM5 中的核心优势显著：
◎ 首先，HB 技术支持高达 24hi 的堆叠，如果芯片厚度为 20 µm，则 20 层堆叠的总高度可控制在 775 µm 以内，远优于微凸块技术；
◎ 其次，HB 允许使用较厚的晶粒，缓解了翘曲问题，确保了结构稳定性。
在性能方面，HBM5 需要更高的 I/O 密度和带宽以支持 AI 训练和推理的超大数据吞吐量，HB 技术通过直接键合实现了更短的互连路径，显著提升了传输速度和电气性能，对于延迟敏感的应用尤为有利。
面对 AI 和高性能计算产生的高热量挑战，HB 技术的低热阻设计大幅改善了散热效率，确保了 HBM5 在高负载下的稳定性。
HB 技术的落地仍面临技术难题、良率压力、成本与投资以及产业链调整等挑战。
在 HBM5 20hi 及以上的应用中，微凸块技术因高度限制、热管理和 I/O 密度瓶颈无法满足性能目标，HB 技术成为推动 HBM5 实现技术突破的必然路径。
短期内的成本和技术挑战可能会限制其普及速度，但成功实施将为 HB 技术的商业化奠定坚实基础，并促使代工厂和 HBM 制造商重新定位其在价值链中的角色。
小结
混合键合技术在 HBM4E 和 HBM5 中的必要性呈现出截然不同的图景。在 HBM4E（尤其是 16hi）中，HB 技术虽具备堆叠能力和性能优势，但因技术成熟度不足和成本压力，尚未成为“必须”选项，微凸块技术仍可通过优化满足需求。
在 HBM5 20hi 中，HB 技术因其对高堆叠层数、I/O 密度和散热需求的全面支持，已成为不可或缺的核心技术，HBM 技术向更高性能迈进的必然趋势。
END
作者：芝能芯芯
文章来源：芝能智芯
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