Die Rolle der 3D-Cu-Cu-Hybridbindung bei der Entwicklung zukünftiger HPC- und KI-Produkte

Die Rolle der 3D-Cu-Cu-Hybridbindung bei der Entwicklung zukünftiger HPC- und KI-Produkte

Zeitstempel: 22. April 2024, 7:09 Uhr
Quellknoten: 2554714

Von Dr. Yu-Han Chang, Senior Technology Analyst bei IDTechEx.

Die Halbleiterverpackung hat sich von traditionellen 1D-Leiterplattenebenen zu hochmodernem 3D-Hybridbonden auf Waferebene weiterentwickelt und erreicht Verbindungsabstände von nur einem Mikrometer und eine Bandbreite von über 1000 GB/s.

Schlüsselparameter wie Leistung, Leistung, Fläche und Kosten sind entscheidende Überlegungen. Die Energieeffizienz wird durch innovative Verpackungstechniken verbessert, während die Leistung von kürzeren Verbindungsabständen profitiert. Der Flächenbedarf variiert je nach Hochleistungschips und dem kleineren Z-Formfaktor der 3D-Integration. Kostensenkungsstrategien umfassen die Erforschung alternativer Materialien und die Verbesserung der Fertigungseffizienz. Im Bereich der 3D-Integration schreitet die Mikrobump-Technologie weiter voran, um kleinere Abstände zu erreichen, wobei bahnbrechende Cu-Cu-Verbindungsmethoden wie Hybridbonden den Weg weisen und Abstände im Bereich von <1 Mikrometer erreichen. Dieser Artikel stellt die Cu-Cu-Hybridtechnologie vor, einschließlich ihrer Entwicklung, der hochrangigen Methodik zu ihrer Erreichung und den wichtigsten Anwendungen. In diesem Artikel werden einige Forschungsergebnisse aus dem IDTechEx-Bericht „Advanced Semiconductor Packaging 2024–2034: Prognosen, Technologien, Anwendungen“ vorgestellt.

Einführung in die Mikrobump- und Hybrid-Bonding-Technologie

Die Microbump-Technologie, eine etablierte Technologie in der Halbleiterverpackung, basiert auf dem Thermal-Compression-Bonding-Verfahren (TCB) und findet weit verbreitete Anwendung bei verschiedenen Produkten. Sein evolutionärer Weg dreht sich hauptsächlich um die kontinuierliche Skalierung der Schlaghöhe. Es entsteht jedoch eine erhebliche Hürde, da die schrumpfende Größe der Lotkugeln zu einer verstärkten Bildung intermetallischer Verbindungen (IMCs) führt und somit die Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Darüber hinaus kann die Nähe der Kontaktlücken zu einer Brückenbildung der Lotkugeln während des Reflow-Lötens führen, was das Risiko eines Chipausfalls birgt. Da Lot und IMCs einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als Kupfer, stößt ihre Verwendung in der Verpackung von Hochleistungskomponenten an Grenzen.

Andererseits stellt das Hybridbonden einen Paradigmenwechsel dar, indem Verbindungen durch eine Kombination aus dielektrischem Material (z. B. SiO2 oder SiCN) und eingebettetem Metall (Cu) hergestellt werden. Bemerkenswert ist, dass beim Cu-Cu-Hybridbonden Abstände unter 10 Mikrometern erreicht wurden, typischerweise um Werte im einstelligen µm-Bereich. Diese Weiterentwicklung bringt mehrere Vorteile mit sich, darunter erweiterte I/O, erhöhte Bandbreite, verbessertes 3D-Vertikalstapeln, verbesserte Leistungseffizienz sowie verringerte Parasiten und thermischen Widerstand, die auf das Fehlen von Unterfüllung zurückzuführen sind. Es bestehen jedoch weiterhin Herausforderungen in Form von Herstellungskomplexitäten und erhöhten Kosten, die mit dieser fortschrittlichen Technik verbunden sind.

Drei Möglichkeiten der Cu-Cu-Hybridbindung

Es gibt drei Hauptmethoden zum Erreichen eines Hybrid-Bondens: Die-to-Die (D2D), Die-to-Wafer (D2W) und Wafer-to-Wafer (W2W). Jeder Ansatz bietet unterschiedliche Vor- und Nachteile, die sich auf seine Eignung für verschiedene Anwendungen auswirken.

Das Die-to-Die-Bonding bietet die höchste Montageausbeute, da beide Dies vor dem Bonden einzeln getestet werden können. Diese Methode bietet auch die höchste Designflexibilität. Allerdings ist der Durchsatz sehr gering und der Prozess stellt erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere im Hinblick auf Randeffekte, Verunreinigungen und beim Vereinzeln eingebrachte Partikel. Darüber hinaus erfordert das Die-zu-Die-Bonding eine Pick-and-Place-Ausrüstung mit außergewöhnlich hoher Genauigkeit. Aufgrund dieser Herstellungsherausforderungen und des geringen Durchsatzes ist diese Methode derzeit nur begrenzt kommerziell in Hybrid-Bonding-Anwendungen einsetzbar.

Das Wafer-zu-Wafer-Bonding zeichnet sich durch den höchsten Durchsatz aus, der in der Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung ist. Seine Prozessschritte sind im Vergleich zum Die-to-Die-Bonding einfacher, da keine Schneidwerkzeuge und Pick-and-Place-Verfahren erforderlich sind. Das Wafer-zu-Wafer-Bonden kann jedoch zu einer geringeren Ausbeute und einer eingeschränkten Designflexibilität führen, da der obere und der untere Chip die gleiche Größe haben müssen. Trotz dieser Nachteile bleibt das Wafer-zu-Wafer-Bonden der am häufigsten verwendete Ansatz für das Cu-Cu-Hybridbonden in aktuellen kommerziellen Anwendungen.

Das Die-to-Wafer-Bonding stellt einen Mittelweg zwischen den Die-to-Die- und Wafer-to-Wafer-Methoden dar. Dieser Ansatz bietet im Vergleich zum Wafer-zu-Wafer-Bonding eine höhere Designflexibilität und Ausbeute. Allerdings steht es vor Herausforderungen im Zusammenhang mit einem geringeren Durchsatz und komplexeren Verarbeitungsanforderungen. Trotz dieser Herausforderungen hat das Die-zu-Wafer-Bonding aufgrund seiner Fähigkeit, ein Gleichgewicht zwischen Designflexibilität und Fertigungseffizienz zu finden, an Dynamik gewonnen.

Insgesamt hängt die Wahl der Hybridverbindungsmethode von Faktoren wie Anforderungen an die Baugruppenausbeute, Designflexibilität, Durchsatzüberlegungen und Verarbeitungsherausforderungen ab. Jeder Ansatz bietet unterschiedliche Kompromisse, die seine Anwendbarkeit bei der Halbleiterverpackung und -integration prägen.

Wie Hybrid-Bonding in HPC-Chips umgesetzt wird

Die bekannteste Anwendung von Hybrid-Bonding ist AMD, der die 3D-SOIC-Technologie (Hybrid-Bonding) von TSMC zum Stapeln von L3-Cache-Chips auf einem Computerchip in zwei Produktlinien einsetzt: der Verbraucher-CPU AMD Ryzen 7000X3D für Desktops (einschließlich AMD Ryzen™ 9 7950X3D und AMD Ryzen 7 5800X3D) und der EPYC-Prozessor für High Performance Computing (HPC). AMD betont die Rolle von Hybrid Bonding beim Übertreffen seiner Energieeffizienzziele mit Chiplet- und 3D-fähiger Architektur. Sie unterstreichen die Überlegenheit gegenüber der Micro-Bump-3D-Technologie und nennen eine 15-mal höhere Verbindungsdichte und eine 3-mal höhere Energieeffizienz. Weitere Beispiele sind die Bow Intelligence Processing Unit (BOW) von Graphcore, der weltweit erste 3D-Wafer-on-Wafer (WoW)-Prozessor, der die 7-nm-Technologie von TSMC und die 3D-SoIC-Technologie von TSMC für einen 3D-Chip nutzt und über 1,472 IPU-Core-Kacheln mit 900 MB verfügt Prozessorinterner Speicher, der im Vergleich zum 40D-Vorgänger bis zu 16 % schnellere KI-Leistung und 2 % bessere Leistung pro Watt bietet. Ein weiteres wichtiges Beispiel ist die Nutzung von Hybrid-Bonding im High-Bandwidth-Speicher (HBM). Große Player auf dem HBM-Markt, wie SK Hynix, Samsung und Micron, erforschen zunehmend Hybridbonden für ihre Anwendungen. Während Microbump-Stacking die traditionelle Methode bei HBM ist, treibt die wachsende Nachfrage nach verbesserter Bandbreitenerweiterung und Energieeffizienz die aktive Erforschung von Hybrid-Bonding voran. Die Kommerzialisierung von HBMs auf Hybridbonding-Basis wird in der nächsten Generation oder danach erwartet und bietet einen erheblichen Wettbewerbsvorteil gegenüber Alternativen auf Mikrobump-Basis. Dies verschafft diesen Wettbewerbern einen starken Vorsprung gegenüber dem aktuellen Marktführer.

Zusammenfassung

Das Hybrid-Bonding ist bereit, die Landschaft zukünftiger HPC- und KI-Produkte zu revolutionieren und bietet eine Vielzahl von Vorteilen, die den weiteren Weg der Branche prägen werden. Da die Technologie voranschreitet und die Nachfrage nach höherer Rechenleistung und Effizienz weiter steigt, erweist sich Hybrid-Bonding als Schlüsselfaktor für die Erfüllung dieser sich verändernden Anforderungen.

Der IDTechEx-Bericht „Advanced Semiconductor Packaging 2024–2034: Prognosen, Technologien, Anwendungen“ befasst sich mit der dynamischen Landschaft der 2.5D- und 3D-Halbleiterverpackung und analysiert Technologietrends, Branchenbarrieren und Marktprognosen für KI, HPC, 5G/6G , autonome Fahrzeuge und Unterhaltungselektronik. Mit unvoreingenommenen Analysen und detaillierten Marktbewertungen bietet dieser Bericht ein umfassendes Verständnis der Zukunft der Branche und ist somit eine unverzichtbare Lektüre für Stakeholder, die sich in der sich entwickelnden Halbleiterlandschaft zurechtfinden.

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