SK海力士在HBM領(lǐng)域中MR-MUF技術(shù)的發(fā)展

挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，打破限制，勇攀高峰，打破常規(guī)者們在尋求開創(chuàng)性解決方案的過程中重塑規(guī)則。繼SK海力士品牌短片《誰是打破常規(guī)者》播出后，將推出一系列文章，展示公司在重塑技術(shù)、重新定義行業(yè)標準方面采取的各種“打破常規(guī)”的創(chuàng)新舉措。作為本系列首篇文章，將詳述HBM領(lǐng)域中MR-MUF技術(shù)的發(fā)展。

體積更小、速度更快、帶寬更高、性能更佳。如今，領(lǐng)先的存儲器產(chǎn)品正迅速發(fā)展，以滿足人工智能時代下的高需求。然而，這些進步也帶來了一項可能阻礙下一代產(chǎn)品發(fā)展的挑戰(zhàn)——熱量過高。

為解決這一問題，SK海力士取得了前所未有的突破，開發(fā)出了一種名為批量回流模制底部填充（MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill）1 的新型創(chuàng)新封裝技術(shù)，可以有效改善芯片的散熱性能。自2019年以來，MR-MUF技術(shù)被應(yīng)用于SK海力士開創(chuàng)性產(chǎn)品HBM2中，使公司在市場競爭中脫穎而出。作為唯一一家采用MR-MUF技術(shù)的公司，應(yīng)用該技術(shù)的HBM產(chǎn)品的散熱性能獲得客戶一致好評，SK海力士毫無疑問地成為HBM市場的領(lǐng)導(dǎo)者。

1批量回流模制底部填充（MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill）: 批量回流焊是一種通過熔化堆疊芯片間的凸點以連接芯片的技術(shù)。通過模制底部填充技術(shù)，將保護材料填充至堆疊芯片間隙中，以提高耐用性和散熱性。結(jié)合回流和模制工藝，MR-MUF技術(shù)將半導(dǎo)體芯片連接到電路上，并用環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）填充芯片間及凸點間的空隙。

2高帶寬存儲器（HBM, High Bandwidth Memory）: 一種高附加值、高性能存儲器產(chǎn)品，通過硅通孔技術(shù)（TSV）將多個DRAM芯片垂直互聯(lián)。與現(xiàn)有的DRAM產(chǎn)品相比，數(shù)據(jù)處理速度顯著提高。

本文將探討MR-MUF技術(shù)的開創(chuàng)性發(fā)展，并重點關(guān)注高導(dǎo)熱性新材料如何解決下一代HBM產(chǎn)品熱量過高的問題。

全力攻克散熱難題

隨著存儲器產(chǎn)品的發(fā)展，散熱問題愈發(fā)嚴峻，導(dǎo)致這一問題的原因有多個：例如，由于表面積減少和功率密度增加，半導(dǎo)體微型化會直接影響產(chǎn)品的散熱性能；對于HBM這樣的DRAM堆疊產(chǎn)品，熱傳導(dǎo)路徑較長會導(dǎo)致熱阻增加，熱導(dǎo)性也會因芯片之間的填充材料而受限；此外，速度和容量的不斷提升，也會導(dǎo)致熱量增加。

若無法充分控制半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量，可能會對產(chǎn)品性能、生命周期和功能產(chǎn)生負面影響。這是客戶重點關(guān)注的問題，因為此類問題會嚴重影響其生產(chǎn)力、能源成本和競爭力。所以，除容量和帶寬外，包括散熱在內(nèi)均已成為先進存儲器產(chǎn)品開發(fā)過程中的關(guān)鍵考慮因素。

因此，人們開始將注意力轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體封裝技術(shù)，因其主要功能之一是熱控制。在第二代HBM產(chǎn)品HBM2之前，SK海力士的HBM產(chǎn)品一直采用行業(yè)標準性熱壓非導(dǎo)電膜（TC-NCF，Thermal Compression Non-Conductive Film）3技術(shù)。然而，隨著HBM產(chǎn)品的進步，需要更薄的芯片來容納更多的芯片層，因此相應(yīng)的封裝技術(shù)需要控制更多的熱量和壓力。SK海力士在開發(fā)下一代產(chǎn)品時，還需要解決密集堆疊產(chǎn)品中因壓力和厚度而造成芯片翹曲等問題?；诖耍拘枰龉逃兴季S，為未來產(chǎn)品開發(fā)一項全新封裝技術(shù)。

3熱壓非導(dǎo)電薄膜（TC-NCF，Thermal Compression Non-Conductive Film）：一種通過在芯片間涂抹薄膜狀物質(zhì)來堆疊芯片的技術(shù)。通過加熱和加壓融化這種物質(zhì)，從而將芯片粘在一起。

MR-MUF技術(shù)及其新材料，

填補散熱控制拼圖中缺失的一環(huán)

SK海力士在開發(fā)第三代HBM產(chǎn)品——HBM2E時，將傳熱控制作為改進的主要焦點。即便TC-NCF技術(shù)被公認為是適用于密集堆疊產(chǎn)品的封裝解決方案，SK海力士仍舊堅持不斷挑戰(zhàn)現(xiàn)狀，努力開發(fā)一種可優(yōu)化散熱性能的新型封裝技術(shù)。經(jīng)過無數(shù)次的測試和試驗，公司于2019年推出了新型封裝技術(shù)MR-MUF，繼而徹底改變了HBM市場的未來。

TC-NCF技術(shù)與MR-MUF技術(shù)散熱性能的結(jié)構(gòu)差異

MR-MUF技術(shù)由SK海力士多個團隊共同開發(fā)，該技術(shù)能夠同時對HBM產(chǎn)品中所有的垂直堆疊芯片進行加熱和互聯(lián)，比堆疊芯片后填充薄膜材料的TC-NCF技術(shù)更高效。此外，與TC-NCF技術(shù)相比，MR-MUF技術(shù)可將有效散熱的熱虛設(shè)凸塊數(shù)量增加四倍。

MR-MUF技術(shù)另一個重要特性是采用了一種名為環(huán)氧樹脂模塑料（EMC, Epoxy Molding Compound）4的保護材料，用于填充芯片間的空隙。EMC是一種熱固性聚合物，具有卓越的機械性、電氣絕緣性及耐熱性，能夠滿足對高環(huán)境可靠性和芯片翹曲控制的需求。由于應(yīng)用了MR-MUF技術(shù)，HBM2E的散熱性能比上一代HBM2提高了36%。

4環(huán)氧樹脂模塑料（EMC, Epoxy Molding Compound）: 一種基于熱固性聚合物環(huán)氧樹脂的散熱材料。這種材料可用于密封半導(dǎo)體芯片，以避免芯片受到外部環(huán)境因素影響，如高溫、潮濕、震動等。

雖然MR-MUF技術(shù)也被用于HBM2E的下一代產(chǎn)品——8層HBM3，但在2023年開發(fā)12層HBM3時，SK海力士還是將MR-MUF技術(shù)提升到了一個新高度。為了保持產(chǎn)品的整體厚度，DRAM芯片必須比8層HBM3所用的芯片薄40%，因此解決芯片翹曲成為了一個關(guān)鍵問題。SK海力士積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，開發(fā)了先進的MR-MUF技術(shù)，并引入了業(yè)界首創(chuàng)的芯片控制技術(shù)（Chip Control Technology）5和改善散熱效果的新型保護材料。在此過程中，因其在先進MR-MUF技術(shù)中應(yīng)用的新型EMC與原始MR-MUF技術(shù)中的EMC相比，使散熱性能提高了1.6倍，SK海力士再次實現(xiàn)材料創(chuàng)新。

5芯片控制技術(shù)（Chip Control Technology）：在堆疊芯片時，對每個芯片施加瞬間高熱，使頂層芯片下的凸點與底層芯片上的薄墊熔合。薄墊將芯片固定在一起，以防止翹曲。

憑借熱量控制技術(shù)，

SK海力士成功實現(xiàn)了最高級別HBM的量產(chǎn)

HBM產(chǎn)品發(fā)展及散熱性能優(yōu)化時間線

從開發(fā)HBM2E開始，MR-MUF技術(shù)及隨后推出的先進MR-MUF技術(shù)的應(yīng)用，使SK海力士能夠生產(chǎn)出業(yè)界最高標準的HBM產(chǎn)品。時至2024年，SK海力士已成為首家量產(chǎn)HBM3E的公司，這是最新一代、擁有全球最高標準性能的HBM產(chǎn)品。在應(yīng)用先進的MR-MUF技術(shù)后，與上一代8層HBM3相比，HBM3E在散熱性能方面提高了10%，成為人工智能時代炙手可熱的存儲器產(chǎn)品。展望未來，公司將繼續(xù)保持其在HBM領(lǐng)域的市場主導(dǎo)地位，并宣布計劃將下一代HBM4產(chǎn)品的量產(chǎn)提前至2025年。

打破常規(guī)者專訪：

HBM產(chǎn)品封裝部門，河京武TL

為了更深入地了解MR-MUF技術(shù)開發(fā)和HBM發(fā)展的淵源，本文采訪了HBM產(chǎn)品封裝部門的 河京武TL。通過對新材料的探索、測試和驗證，河京武積極推動著MR-MUF技術(shù)的發(fā)展，并就這一創(chuàng)新工藝所帶來的影響進行了深入探討。

Q

SK海力士采用MR-MUF技術(shù)成功開發(fā)出的HBM產(chǎn)品具有怎樣的意義？MR-MUF技術(shù)和先進MR-MUF技術(shù)在材料創(chuàng)新方面有哪些重大突破？

A

“MR-MUF技術(shù)的引入讓我們站在了HBM市場的頂峰，確保了我們在HBM市場的領(lǐng)先地位。自從我們決定在HBM2E產(chǎn)品上采用MR-MUF技術(shù)，而非像其他半導(dǎo)體公司一樣使用TC-NCF技術(shù)以來，SK海力士一直在超越競爭對手。MR-MUF技術(shù)的應(yīng)用使公司成功量產(chǎn)層數(shù)越來越多的、前所未有的HBM產(chǎn)品，充分證明了公司對創(chuàng)新不懈追求的精神。”

“在材料創(chuàng)新方面，MR-MUF技術(shù)采用了比NCF技術(shù)散熱性能更好的EMC材料。與TC-NCF技術(shù)相比，這一舉措對提高MR-MUF技術(shù)的熱控性和產(chǎn)品的環(huán)境可靠性起到了關(guān)鍵作用。此外，關(guān)于先進MUF材料， 是SK海力士在EMC材料基礎(chǔ)上更進一步，推出的散熱性能更強的新版本?！?/p>

Q

在MR-MUF技術(shù)的開發(fā)過程中，有哪些幕后工作值得分享？

A

“在這些先進技術(shù)的背后，是持續(xù)不斷的測試和評估，以驗證和提高用于封裝工藝的新材料的質(zhì)量?！?/p>

“在開發(fā)先進MR-MUF技術(shù)時，將新EMC材料持續(xù)用于通用測試載具（UTV, Universal Test Vehicle）6進行可靠性測試至關(guān)重要。具有與HBM產(chǎn)品相同規(guī)格UTV在經(jīng)過晶圓級封裝（WLP, Wafter-Level Package）7后成為樣品，然后進行預(yù)見可靠性（LAR, Look Ahead Reliability）8測試，以識別產(chǎn)品缺陷。只有通過測試并進行了必要升級的材料，才可用于HBM最終產(chǎn)品。”

6通用測試載具（UTV, Universal Test Vehicle）：在產(chǎn)品開發(fā)初期階段，用于測試和確定產(chǎn)品規(guī)格及標準的樣品。

7晶圓級封裝（WLP, Wafer-Level Package）：在切割晶圓前，一次性進行封裝和測試晶圓并產(chǎn)出最終產(chǎn)品的技術(shù)，在晶圓加工和芯片切割方面，與傳統(tǒng)封裝工藝不同。

8預(yù)見可靠性（LAR, Look Ahead Reliability）：在質(zhì)量評估前進行的初步測試，旨在針對測試過程中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷制定對策，并于質(zhì)量評估期間采取相應(yīng)對策，以修復(fù)產(chǎn)品缺陷。

Q

在MR-MUF技術(shù)開發(fā)過程中，SK海力士的“打破常規(guī)者精神”是如何激勵員工突破傳統(tǒng)的？

A

“我們公司倡導(dǎo)一種‘打破常規(guī)’的企業(yè)文化，鼓勵每個人設(shè)定具有挑戰(zhàn)性的目標，而非安于現(xiàn)狀。此外，無論來自哪個部門，成員們都致力于“一個團隊”協(xié)作精神，并努力成為團隊中最好的一員?！?/p>

“這一點在MR-MUF技術(shù)開發(fā)過程中尤為明顯，當(dāng)時來自各部門的成員通力合作，確保了項目成功。這是全公司成員們共同努力的成果，正是因為大家齊心協(xié)力，才使這項創(chuàng)新成為可能。在這個過程中每個成員都各司其職，例如我的職責(zé)就是為工程師開發(fā)流程提供支持，此外，我的主要職責(zé)還包括對材料進行初步風(fēng)險評估、制定技術(shù)驗證計劃、競爭對手監(jiān)測以及提前確定客戶需求?！?/p>

“在SK海力士，我們都是打破常規(guī)者。因為我們深信，只要通過共同的努力，就能不斷勇攀高峰，創(chuàng)造出令人驚嘆的成就?！?/p>