Die Oberflächenanforderungen variieren je nach den 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 entwickelt sich die Mikrobump-Technologie stetig weiter, um immer kleinere Strukturgrößen zu erreichen. Innovative Cu-Cu-Verbindungsverfahren wie das Hybrid-Head-Bonding ermöglichen Strukturgrößen von unter einem Mikrometer. Dieser Artikel stellt die Hybrid-Cu-Cu-Technologie vor, einschließlich ihrer Entwicklung, der übergeordneten Methodik und wichtiger Anwendungen. Er basiert auf Forschungsergebnissen des IDTechEx-Berichts „Advanced Semiconductor Packaging 2024–2034: Forecasts, Technologies, Applications“.
Einführung in die Mikrobump- und Hybrid-Bonding-Technologie
Die Mikrobump-Technologie, die tief in der Halbleiterfertigung verwurzelt ist, basiert auf dem thermischen Kompressionsbonden (TCB) und findet in verschiedenen Produkten vielfältige Anwendung. Ihre Weiterentwicklung konzentriert sich primär auf die kontinuierliche Skalierung des Bump-Prozesses. Dabei stellt sich jedoch ein wesentliches Problem: Die Verkleinerung der Lötperlen führt zu einer verstärkten Bildung intermetallischer Verbindungen (IMCs), was die Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Zudem kann die Nähe der Kontaktspalte während des Reflow-Lötens zu Brückenbildung zwischen den Lötperlen und damit zu einem erhöhten Risiko für Chipausfälle führen. Da Lot und IMCs einen höheren spezifischen Widerstand als Kupfer aufweisen, ist ihre Verwendung in der Gehäusefertigung von Hochleistungsbauteilen begrenzt.
Andererseits stellen Hybridkontakte einen Paradigmenwechsel dar, da sie Verbindungen durch eine Kombination aus dielektrischem Material (z. B. SiO₂ oder SiCN) und eingebettetem Metall (Cu) herstellen. Insbesondere Cu-Cu-Hybridkontakte erreichen Strukturgrößen von unter 10 Mikrometern, typischerweise im einstelligen Mikrometerbereich. Dieser Fortschritt bietet mehrere Vorteile, wie z. B. eine höhere Anzahl an Ein- und Ausgängen, eine größere Bandbreite, eine verbesserte vertikale 3D-Stapelung, eine höhere Energieeffizienz sowie geringere parasitäre Störungen und einen niedrigeren Wärmewiderstand aufgrund des Verzichts auf Füllmaterial. Allerdings ist diese fortschrittliche Technik nach wie vor mit Herausforderungen in der Fertigung und hohen Kosten verbunden.
Drei Formen der hybriden Cu-Cu-Bindung
Es gibt drei Hauptverfahren zur Herstellung von Hybridbondierungen: Chip-zu-Chip (D2D), Chip-zu-Wafer (D2W) und Wafer-zu-Wafer (W2W). Jedes Verfahren bietet spezifische Vor- und Nachteile, die seine Eignung für verschiedene Anwendungen beeinflussen.
Die Die-to-Die-Bonding (D2D) bietet den höchsten Durchsatz, da beide Pellets vor dem Bonden einzeln geprüft werden können. Dieses Verfahren bietet zudem die größte Designflexibilität. Allerdings ist der Durchsatz sehr gering, und der Prozess ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, insbesondere hinsichtlich Kanteneffekten, Verunreinigungen und Partikeln, die beim Vereinzeln eingebracht werden. Darüber hinaus erfordert das Pellet-to-Pellet-Bonding hochpräzise Bestückungsautomaten. Aufgrund dieser Fertigungsschwierigkeiten und des geringen Durchsatzes findet dieses Verfahren derzeit nur begrenzt kommerzielle Anwendung in Hybrid-Bonding-Anwendungen.
Wafer-zu-Wafer-Bonding zeichnet sich durch seinen hohen Durchsatz aus, der in der Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung ist. Die Prozessschritte sind einfacher als beim Wafer-zu-Wafer-Bonding, da die Wafer nicht geschnitten oder Bestückungsvorgänge durchgeführt werden müssen. Allerdings kann Wafer-zu-Wafer-Bonding den Durchsatz und die Designflexibilität verringern, da die oberen und unteren Wafer die gleiche Größe haben müssen. Trotz dieser Nachteile ist Wafer-zu-Wafer-Bonding nach wie vor die am weitesten verbreitete Methode zum Bonden von Cu-Cu-Hybriden in aktuellen kommerziellen Anwendungen.
Die Tabletten-Wafer-Verbindung stellt eine Zwischenstellung zwischen der Tabletten-Tabletten- und der Wafer-Wafer-Verbindung dar. Sie bietet eine höhere Designflexibilität und bessere Leistung als die Wafer-Wafer-Verbindung. Allerdings ist sie mit Herausforderungen wie geringerer Ausbeute und komplexeren Verarbeitungsanforderungen konfrontiert. Trotz dieser Schwierigkeiten hat sich die Tabletten-Wafer-Verbindung aufgrund ihrer Fähigkeit, ein Gleichgewicht zwischen Designflexibilität und Fertigungseffizienz zu schaffen, zunehmend durchgesetzt.
Die Wahl des Hybrid-Übergangsverfahrens hängt im Allgemeinen von Faktoren wie Montageanforderungen, Designflexibilität, Leistungsaspekten und Verarbeitungsherausforderungen ab. Jedes Verfahren bietet spezifische Vor- und Nachteile, die seine Anwendbarkeit in der Halbleiterfertigung und -integration bestimmen.
Hybrid Junction-Anwendungen in HPC-Chips:
AMD setzt Hybrid Junction am häufigsten ein und verwendet TSMCs SOIC 3D-Technologie (Hybrid Junction), um L3-Cache-Chips in zwei Produktlinien auf einem einzigen Chip zu stapeln: den AMD Ryzen 7000X3D Desktop-Prozessoren (darunter AMD Ryzen™ 9 7950X3D und AMD Ryzen 7 5800X3D) sowie dem EPYC-Prozessor für High-Performance Computing (HPC). AMD betont die Bedeutung von Hybrid Junction für die Erreichung der angestrebten Energieeffizienz durch die Chiplet-basierte 3D-Architektur. Die Technologie bietet eine 15-fach höhere Verbindungsdichte und eine 3-fach höhere Energieeffizienz als die 3D-Mikrobump-Technologie. Weitere Beispiele sind Graphcores Bow Intelligence Processing Unit (BOW), der weltweit erste 3D-Wafer-on-Wafer-Prozessor (WoW). Dieser nutzt TSMCs 7-nm-Technologie und TSMCs 3D-SoIC-Technologie für ein 3D-Array mit 1.472 IPU-Core-Tiles und 900 MB On-Processor-Speicher und bietet damit eine bis zu 40 % höhere KI-Leistung sowie eine um 16 % höhere Leistung pro Watt im Vergleich zum 2D-Vorgänger. Ein weiteres wichtiges Beispiel ist der Einsatz von Hybrid Junctions in High-Bandwidth Memory (HBM). Führende Akteure auf dem HBM-Markt, wie SK Hynix, Samsung und Micron, erforschen Hybrid Junctions zunehmend für ihre Anwendungen. Während das Stapeln von Mikropumpen die traditionelle HBM-Methode darstellte, treibt die steigende Nachfrage nach höherer Bandbreite und Energieeffizienz die Forschung an Hybrid Junctions voran. Es wird erwartet, dass Hybrid-Junction-basierte HBMs in der nächsten Generation oder später kommerzialisiert werden und einen erheblichen Wettbewerbsvorteil gegenüber Microbump-basierten Alternativen bieten. Dies wird diesen Konkurrenten einen deutlichen Vorteil gegenüber dem derzeitigen Marktführer verschaffen.
Zusammenfassung
Die Hybrid-Bonding-Technologie steht kurz davor, die Landschaft zukünftiger HPC- und KI-Produkte zu revolutionieren und bietet eine Reihe von Vorteilen, die die Branche prägen werden.
Autor: Dr. Yu-Han Chang, Senior Technology Analyst bei IDTechEx
