By Dr Yu-Han Chang, Senior Technology Analyst at IDTechEx.
Semiconductor packaging has evolved from traditional 1D PCB levels to cutting-edge 3D hybrid bonding at the wafer level, achieving interconnecting pitches as small as single micrometers and over 1000 GB/s bandwidth.
Key parameters, including Power, Performance, Area, and Cost, are crucial considerations. Power efficiency is enhanced through innovative packaging techniques, while Performance benefits from shorter interconnection pitches. Area requirements vary for high-performance chips and 3D integration’s smaller z-form factor. Cost reduction strategies involve exploring alternative materials and improving manufacturing efficiency. In the realm of 3D integration, microbump technology continues to advance for achieving smaller pitches, with groundbreaking Cu-Cu connection methods like hybrid bonding leading the way, achieving <1 micron-level pitches. This article introduces Cu-Cu hybrid technology, including its development, the high-level methodology to achieve it, and key applications. This article shares some of the research from the IDTechEx report, “Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications”.
Introduction to microbump and hybrid bonding technology
Microbump technology, a well-established technology in semiconductor packaging, relies on the Thermal Compression Bonding (TCB) process and has a widespread application across various products. Its evolutionary path primarily revolves around continually scaling bumping pitch. However, a significant hurdle arises as the shrinking solder ball sizes lead to heightened formation of Intermetallic Compounds (IMCs), consequently compromising conductivity and mechanical properties. Moreover, the proximity of contact gaps may induce solder ball bridging during reflow, posing a risk of chip failure. Since solder and IMCs exhibit higher resistivity than copper, their utilization in high-performance component packaging encounters limitations.
On the other hand, hybrid bonding presents a paradigm shift by establishing interconnections through a combination of dielectric material (for example, SiO2 or SiCN) and embedded metal (Cu). Notably, Cu-Cu hybrid bonding has achieved pitches below 10 micrometers, typically around single-digit µm values. This advancement brings forth several benefits, including expanded I/O, heightened bandwidth, improved 3D vertical stacking, enhanced power efficiency, and reduced parasitics and thermal resistance attributed to the absence of underfill. However, challenges persist in the form of manufacturing complexities and elevated costs associated with this advanced technique.
Three ways of Cu-Cu hybrid bonding
There are three primary methods for achieving hybrid bonding: die-to-die (D2D), die-to-wafer (D2W), and wafer-to-wafer (W2W). Each approach offers distinct advantages and disadvantages, influencing its suitability for various applications.
Die-to-Die bonding offers the highest assembly yield since both dies can undergo individual testing before bonding. This method also provides the highest design flexibility. However, it suffers from very low throughput and presents significant challenges during the process, particularly regarding edge effects, contamination, and particles introduced during singulation. Additionally, die-to-die bonding requires pick & place equipment with exceptionally high accuracy. Due to these manufacturing challenges and low throughput, this method currently has limited commercial use in hybrid bonding applications.
Wafer-to-wafer bonding stands out for its highest throughput, which is crucial in the semiconductor industry. Its process steps are simpler compared to die-to-die bonding, as it eliminates the need for cutting dies and pick and place procedures. However, wafer-to-wafer bonding may result in lower yield and reduced design flexibility, as the top and bottom dies must be the same size. Despite these drawbacks, wafer-to-wafer bonding remains the most commonly employed approach for Cu-Cu hybrid bonding in current commercial applications.
Die-to-wafer bonding occupies a middle ground between die-to-die and wafer-to-wafer methods. This approach provides higher design flexibility and yield compared to wafer-to-wafer bonding. However, it faces challenges related to lower throughput and more complex processing requirements. Despite these challenges, die-to-wafer bonding has gained momentum due to its ability to strike a balance between design flexibility and manufacturing efficiency.
Overall, the choice of hybrid bonding method depends on factors such as assembly yield requirements, design flexibility, throughput considerations, and processing challenges. Each approach offers distinct trade-offs, shaping its applicability in semiconductor packaging and integration.
How hybrid bonding is implemented in HPC chips
The most prominent adoption of hybrid bonding is AMD employing TSMC’s 3D SOIC (hybrid bonding) technology for stacking L3 cache die onto a computing chip in two product lines: the consumer AMD Ryzen 7000X3D CPU for desktops (incl. AMD Ryzen™ 9 7950X3D and AMD Ryzen 7 5800X3D) and the EPYC processor for high-performance computing (HPC). AMD emphasizes hybrid bonding’s role in surpassing their power efficiency goals with chiplet and 3D-enabled architecture. They highlight its superiority over micro bump 3D technology, citing 15 times higher interconnect density and 3 times greater energy efficiency. Other examples include Graphcore’s Bow Intelligence Processing Unit (BOW) is the world’s first 3D Wafer-on-Wafer (WoW) processor, utilizing TSMC 7 nm technology and TSMC 3D SoIC technology for a 3D die, featuring 1,472 IPU-Core tiles with 900MB of in-processor memory, offering up to 40% faster AI performance and 16% better performance-per-Watt compared to its 2D predecessor. Another key example is the utilization of hybrid bonding in high-bandwidth memory (HBM). Major players in the HBM market, such as SK Hynix, Samsung, and Micron, are increasingly exploring hybrid bonding for their applications. While microbump stacking has been the traditional method in HBM, the growing demand for enhanced bandwidth expansion and power efficiency is driving the active investigation of hybrid bonding. The commercialization of hybrid bonding-based HBMs is expected in the next generation or thereafter, offering a substantial competitive advantage over microbump-based alternatives. This provides these competitors with a strong edge against the current market leader.
خلاصہ
Hybrid bonding is poised to revolutionize the landscape of future HPC and AI products, offering a host of advantages that will shape the industry’s path forward. As technology advances and demands for increased computing power and efficiency continue to surge, hybrid bonding emerges as a key enabler for meeting these evolving needs.
The IDTechEx report, “Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications”, delves into the dynamic landscape of 2.5D and 3D semiconductor packaging, analyzing technology trends, industry barriers, and market forecasts across AI, HPC, 5G/6G, autonomous vehicles, and consumer electronics sectors. With unbiased analysis and detailed market evaluations, this report provides a comprehensive understanding of the industry’s future, making it essential reading for stakeholders navigating the evolving semiconductor landscape.
- SEO سے چلنے والا مواد اور PR کی تقسیم۔ آج ہی بڑھا دیں۔
- پلیٹو ڈیٹا ڈاٹ نیٹ ورک ورٹیکل جنریٹو اے آئی۔ اپنے آپ کو بااختیار بنائیں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
- پلیٹوآئ اسٹریم۔ ویب 3 انٹیلی جنس۔ علم میں اضافہ۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
- پلیٹو ای ایس جی۔ کاربن، کلین ٹیک، توانائی ، ماحولیات، شمسی، ویسٹ مینجمنٹ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
- پلیٹو ہیلتھ۔ بائیوٹیک اینڈ کلینیکل ٹرائلز انٹیلی جنس۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
- ماخذ: https://www.logisticsit.com/articles/2024/04/22/the-role-of-3d-cu-cu-hybrid-bonding-in-powering-future-hpc-and-ai-products
- : ہے
- : ہے
- $UP
- 1
- 10
- 15٪
- 2%
- 2D
- 3d
- 7
- 9
- a
- کی صلاحیت
- غیر موجودگی
- درستگی
- حاصل
- حاصل کیا
- حصول
- کے پار
- فعال
- اس کے علاوہ
- منہ بولابیٹا بنانے
- آگے بڑھانے کے
- اعلی درجے کی
- ترقی
- ترقی
- فائدہ
- فوائد
- کے خلاف
- AI
- بھی
- متبادل
- متبادلات
- AMD
- تجزیہ
- تجزیہ کار
- تجزیہ
- اور
- ایک اور
- درخواست
- ایپلی کیشنز
- نقطہ نظر
- فن تعمیر
- کیا
- رقبہ
- پیدا ہوتا ہے
- ارد گرد
- مضمون
- AS
- اسمبلی
- منسلک
- At
- خود مختار
- خود مختار گاڑیاں
- متوازن
- گیند
- بینڈوڈتھ
- راہ میں حائل رکاوٹیں
- BE
- رہا
- اس سے پہلے
- نیچے
- فوائد
- بہتر
- کے درمیان
- دونوں
- پایان
- پلنگ
- لاتا ہے
- by
- کیشے
- کر سکتے ہیں
- چیلنجوں
- چانگ
- چپ
- چپس
- انتخاب
- حوالے
- مجموعہ
- تجارتی
- ویاوساییکرن
- عام طور پر
- مقابلے میں
- مقابلہ
- حریف
- پیچیدہ
- پیچیدگیاں
- جزو
- وسیع
- سمجھوتہ
- کمپیوٹنگ
- کمپیوٹنگ طاقت
- چالکتا
- کنکشن
- اس کے نتیجے میں
- خیالات
- صارفین
- صارفین کے لیے برقی آلات
- رابطہ کریں
- مسلسل
- جاری
- جاری ہے
- کاپر
- قیمت
- قیمت میں کمی
- اخراجات
- CPU
- اہم
- موجودہ
- اس وقت
- کاٹنے
- جدید
- delves
- ڈیمانڈ
- مطالبات
- کثافت
- انحصار کرتا ہے
- ڈیزائن
- کے باوجود
- تفصیلی
- ترقی
- مر
- مختلف
- dr
- خرابیاں
- ڈرائیونگ
- دو
- کے دوران
- متحرک
- ہر ایک
- ایج
- اثرات
- کارکردگی
- الیکٹرونکس
- بلند
- ختم
- ایمبیڈڈ
- ابھرتا ہے
- پر زور دیتا ہے
- ملازم
- ملازم
- enabler
- توانائی
- توانائی کی بچت
- بہتر
- کا سامان
- ضروری
- قیام
- Ether (ETH)
- اندازہ
- وضع
- تیار ہوتا ہے
- مثال کے طور پر
- مثال کے طور پر
- غیر معمولی
- نمائش
- توسیع
- توسیع
- توقع
- ایکسپلور
- چہرے
- عنصر
- عوامل
- ناکامی
- تیز تر
- خاصیت
- پہلا
- پہلا 3D
- لچک
- کے لئے
- پیشن گوئی
- فارم
- قیام
- آگے
- آگے
- سے
- مستقبل
- حاصل کی
- فرق
- نسل
- اہداف
- زیادہ سے زیادہ
- گراؤنڈ
- جھنڈا
- بڑھتے ہوئے
- ہاتھ
- اونچائی
- ہائی
- اعلی سطحی
- اعلی کارکردگی
- اعلی
- سب سے زیادہ
- نمایاں کریں
- میزبان
- تاہم
- ایچ پی سی
- HTTPS
- رکاوٹ
- ہائبرڈ
- عملدرآمد
- بہتر
- کو بہتر بنانے کے
- in
- شامل
- سمیت
- اضافہ
- دن بدن
- انفرادی
- صنعت
- اثر انداز
- جدید
- انضمام
- انٹیلی جنس
- باہم مربوط
- انٹرکنکشن
- میں
- متعارف
- متعارف کرواتا ہے
- تحقیقات
- شامل
- IT
- میں
- فوٹو
- کلیدی
- زمین کی تزئین کی
- قیادت
- رہنما
- معروف
- سطح
- سطح
- کی طرح
- حدود
- لمیٹڈ
- لائنوں
- لو
- کم
- اہم
- بنانا
- مینوفیکچرنگ
- مارکیٹ
- مارکیٹ لیڈر
- مواد
- مواد
- مئی..
- میکانی
- اجلاس
- یاد داشت
- دھات
- طریقہ
- طریقہ کار
- طریقوں
- مائکرو.
- مائکرون
- مشرق
- رفتار
- زیادہ
- اس کے علاوہ
- سب سے زیادہ
- ضروری
- تشریف لے جارہا ہے
- ضرورت ہے
- ضروریات
- اگلے
- خاص طور پر
- قبضہ
- of
- کی پیشکش
- تجویز
- on
- پر
- or
- دیگر
- باہر
- پر
- پیکیجنگ
- پیرا میٹر
- پیرامیٹرز
- خاص طور پر
- راستہ
- پی سی بی
- کارکردگی
- لینے
- پچ
- پچ
- مقام
- پلاٹا
- افلاطون ڈیٹا انٹیلی جنس
- پلیٹو ڈیٹا
- کھلاڑی
- تیار
- ظاہر
- طاقت
- طاقتور
- پیشگی
- تحفہ
- بنیادی طور پر
- پرائمری
- طریقہ کار
- عمل
- پروسیسنگ
- پروسیسر
- مصنوعات
- حاصل
- ممتاز
- خصوصیات
- فراہم کرتا ہے
- پڑھنا
- دائرے میں
- کم
- کمی
- کے بارے میں
- متعلقہ
- انحصار کرتا ہے
- باقی
- رپورٹ
- ضروریات
- کی ضرورت ہے
- تحقیق
- مزاحمت
- نتیجہ
- انقلاب
- گھومتا ہے
- رسک
- کردار
- s
- اسی
- سیمسنگ
- سکیلنگ
- سیکٹر
- سیمکولیٹر
- سینئر
- کئی
- شکل
- تشکیل دینا۔
- حصص
- منتقل
- چھوٹا
- اہم
- سادہ
- بعد
- ایک
- سائز
- سائز
- چھوٹے
- چھوٹے
- کچھ
- اسٹیکنگ
- اسٹیک ہولڈرز
- کھڑا ہے
- مراحل
- حکمت عملیوں
- ہڑتال
- مضبوط
- کافی
- اس طرح
- تکلیفیں
- مناسب
- بہترینیت
- اضافے
- سبقت
- تکنیک
- تکنیک
- ٹیکنالوجی
- ٹیکنالوجی
- ٹیسٹنگ
- سے
- کہ
- ۔
- زمین کی تزئین کی
- دنیا
- ان
- تھرمل
- یہ
- وہ
- اس
- تین
- کے ذریعے
- تھرو پٹ
- اوقات
- کرنے کے لئے
- سب سے اوپر
- روایتی
- رجحانات
- tsmc
- دو
- عام طور پر
- غیر جانبدار
- گزرنا
- افہام و تفہیم
- یونٹ
- استعمال کی شرائط
- استعمال
- استعمال کرنا۔
- اقدار
- مختلف
- مختلف
- گاڑیاں
- عمودی
- بہت
- راستہ..
- طریقوں
- جس
- جبکہ
- وسیع پیمانے پر
- گے
- ساتھ
- دنیا
- زبردست
- پیداوار
- زیفیرنیٹ