Hybridbonden, große Hitze

Hybrides Bonden rückt in den Mittelpunkt.

In der neuesten Prognose von Yole weist hybrides Bonden die steilste Wachstumskurve in der fortschrittlichen Verkapselung auf. Samsung und SK Hynix haben beide angegeben, dass sie ab HBM 5 die hybride Bondetechnologie einsetzen werden.

Derzeit hat das südkoreanisch-amerikanische Halbleiterunternehmen angekündigt, 100 Milliarden Won in die Entwicklung der nächsten Generation hybrider Bondetechnologie zu investieren; LG Electronics hat sich auf hybride Bondegeräte für HBM-Anwendungen konzentriert; das chinesische Unternehmen Tuojing Technology sieht hybride Bondegeräte als zweite Wachstumskurve an.

Die Zeit des hybriden Bondens ist gekommen.

 01 Der Wandel in der fortschrittlichen Verkapselung

Die Verkapselung ist ein wichtiger Faktor für die Weiterentwicklung des Moore'schen Gesetzes, insbesondere die fortschrittliche Verkapselung.

Im Allgemeinen geht die Entwicklung des Verkapselungsmusters mit der Veränderung der Bondmethode einher. Die Hauptlinie der Bondentwicklung besteht darin, eine höhere Dichte der Verbindung und eine kleinere Verkapselungsgröße zu erreichen.

In der Geschichte der Verkapselung gab es mehrere Wandel.

Flip-Chip, als das "ewige Grüne" in der Geschichte der Verkapselung, stammt aus den 1960er Jahren und ist bis heute eines der am weitesten verbreiteten und technisch am reifstenen Lösungen.

Der Chip wird mit der Funktionsseite nach unten auf das Substrat aufgesetzt und über Bumps mit dem Substrat verbunden. Allerdings wird der Kernnachteil dieses Verfahrens mit zunehmender Chipintegrationsdichte immer deutlicher: Das Rückflusslöten beim Flip-Chip-Verfahren erfolgt in einem Ofen, wobei die gesamte Leiterplatte erwärmt wird. Beim Abkühlprozess kann aufgrund der ungleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten die Verbindung geschwächt oder der Chip verformt werden.

Thermocompression Bonding (TCB) wurde von Intel und der Firma ASMPT gemeinsam entwickelt und 2014 in die Massenproduktion eingeführt. Die Kerninnovation besteht in der "lokalen Erwärmung".

Das Bonden erfolgt durch das Aufbringen von Wärme und Druck auf die Chips von oben. Dabei wird nicht die gesamte Leiterplatte erwärmt, sondern nur der Chip und seine Lötkugeln, wodurch das Risiko der Verformung verringert wird. Dies vereinigt Zuverlässigkeit und Verkapselungseffizienz und entspricht genau den Anforderungen von Produkten mit hoher Dichte wie High-Bandwidth-Memory (HBM).

Deshalb verwenden die HBM-Produkte von Unternehmen wie Samsung, SK Hynix und Micron derzeit TCB als Standardverkapselungslösung, was es zur "Hauptströmung" in der aktuellen fortschrittlichen Verkapselung macht.

Hybrides Bonden zeichnet sich vor allem durch die bumpfreie Verbindung aus. Obwohl die TCB-Technologie das Problem der Wärmeausdehnung gelöst hat, hat die Verkapselungsbranche die Suche nach einer höheren Dichte der Verbindung nie aufgegeben. Die hybride Bondetechnologie bricht mit dem traditionellen Ansatz, der auf Bumps basiert.

Früher wurden bei der Verkapselung Bump-Technologien auf Lötbasis eingesetzt. Mit der hybriden Bondetechnologie können nun Kupfer-Kupfer-Verbindungen hergestellt werden, was drei Vorteile mit sich bringt: Erstens sind die oberen und unteren Chips bündig zueinander; zweitens können die Chips ohne Bumps auf eine sehr feine Distanz miniaturisiert werden; drittens werden keine Lote verwendet, wodurch Probleme im Zusammenhang mit Lot vermieden werden.

Betrachtet man die logische Entwicklung der Technologie, so besteht zwischen hybridem Bonden und TCB nicht einfach eine "Ersetzungs"-Beziehung, sondern es handelt sich um komplementäre Lösungen für verschiedene Anwendungsfälle.

TCB bleibt aufgrund seiner Reife und Kostenvorteile weiterhin die erste Wahl für Massenprodukte wie HBM. Das hybride Bonden zielt dagegen auf die zukünftigen Anforderungen an Chips mit höherer Integrationsdichte, wie z. B. fortschrittliche Speicher mit über 20 3D-Schichten oder AI-Chips mit hoher Rechenleistung, ab und wird somit zur Kernrichtung bei der Planung der nächsten Generation von Verkapselungstechnologien.

Im Markt ist TCB-Verkapselung immer noch die Hauptströmung. Yole Group schätzt, dass der Umsatz von TCB-Bondmaschinen im Jahr 2025 etwa 542 Millionen US-Dollar betragen wird und bis 2030 auf etwa 936 Millionen US-Dollar steigen wird, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 11,6 % entspricht. Die Bestellungen folgen der Kapazitätssteigerung von HBM3E und dem Übergang zu höheren Stapeln. SK Hynix und Micron haben im ersten Halbjahr 2025 große Bestellungen aufgegeben.

Nach einer Prognose von J.P. Morgan wird der Gesamtmarkt für TCB-Bondmaschinen für HBM von 461 Millionen US-Dollar im Jahr 2024 auf 1,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2027 mehr als verdreifachen.

Derzeit dominiert ein "Sechser-Konstellation" den Markt für TCB-Bondmaschinen. Hierzu gehören die südkoreanischen Unternehmen Hanmi Semiconductor, SEMES und Hanwha SemiTech, die japanischen Unternehmen Toray und Shinkawa sowie das singapurische Unternehmen ASMPT. Unter diesen hat Hanmi Semiconductor den höchsten Marktanteil am Markt für HBM-TCB-Bondmaschinen.

Die Nachfrage nach TCB-Geräten lässt sich an den Ergebnissen von Hanmi Semiconductor ablesen. Das Unternehmen hat kürzlich angekündigt, dass es im ersten Quartal 2025 einen konsolidierten Umsatz von 140 Milliarden Won (etwa 690 Millionen Yuan) erwarten lässt, mit einem Betriebsgewinn von 68,6 Milliarden Won. Im Vergleich zum gleichen Zeitraum 2024 steigt der Umsatz um 81 % und der Betriebsgewinn um 139 %. Im April dieses Jahres hat Hanmi Semiconductor seinen südkoreanischen Kunden offiziell mitgeteilt, dass der Preis für TCB für die Herstellung von HBM um 25 % steigen wird.

 02 Hybrides Bonden: Vielfältige Anwendungen

Die Einführung des hybriden Bondens hat die Art und Weise der Verkapselung in der Branche revolutioniert und markiert einen grundlegenden Wandel in der Halbleiter- und integrierten Schaltungstechnologie.

Derzeit gibt es zwei Arten des hybriden Bondens: Einmal das Bonden eines einzelnen Chips auf eine Wafer mit größerem Format (die-to-wafer: D2W), und zweitens das Verbinden von zwei Wafern gleicher Größe (wafer-to-wafer: W2W).

Sony war der Pionier. 2015 setzte Sony in CMOS-Bildsensoren die direkte Kupfer-Kupfer-Bondung ein und war damit das erste Produkt, das hybrides Bonden in der Massenproduktion einsetzte. Über einen längeren Zeitraum wurde das hybride Bonden hauptsächlich in CMOS-Bildsensoren eingesetzt. Mit der Reife der hybriden Bondetechnologie hat es sich auch in Bereiche wie Logik, 3D NAND und HBM etabliert.

2022 hat AMD den ersten Vertical Cache (V-Cache) - Spielprozessor Ryzen 7 5800X3D vorgestellt. Dieser Prozessor teilt die Rechen- und I/O-Funktionen auf separate Chiplets auf. Das Besondere ist, dass auf dem Rechen-Chiplet ein zusätzlicher SRAM-Chip gestapelt wurde, der den L3-Cache von 32 MB auf 96 MB erweitert. Dieser zusätzliche Speicher wird auf einem separaten Chip hergestellt, aber über hybrides Bonden verbunden, so dass der erweiterte Cache wie direkt in den Rechenchip integriert funktioniert.

AMD Instinct MI300-Serie Architektur-Chip-Stack

2024 hat AMD ein weiteres Chip mit hybrider Bondetechnologie vorgestellt - die Instinct MI300-Serie, die speziell für AI-Trainingsanwendungen entwickelt wurde. Mit der MI300-Serie tritt AMD direkt mit Nvidia um den lukrativen AI-Hardwaremarkt an.

Im Bereich der 3D NAND verbindet ChangXin Memory Technologies (CXMT) mit seiner Xtacking-Architektur CMOS und Speicherarrays durch hybrides Bonden, was eine höhere Dichte, eine kleinere Fläche und eine schnellere Geschwindigkeit ermöglicht. Xtacking 4.0 kann eine IO-Geschwindigkeit von 3600 MT/s erreichen. Kioxia hat in seiner neuesten BiCS8 218-Schicht 3D NAND eine CMOS-Direct-Bond-Array (CBA) eingesetzt.

 03 Hybrides Bonden: Ein heißes Thema

Obwohl es in vielen Bereichen eingesetzt wird, ist die Nachfrage nach hybridem Bonden am deutlichsten im Bereich des HBM.

Im Gegensatz zum normalen Zyklus der Speicherentwicklung beschleunigt sich die Aktualisierung des HBM immer mehr. GPU-Hersteller verkünden neue Technologien nun jährlich, was viel schneller ist als der typische Zyklus der Speicherstandards. Die Umstellung auf neue Speichertechnologien dauert normalerweise vier bis fünf Jahre. Der HBM wird nun alle zwei bis zweieinhalb Jahre aktualisiert.

Dies stellt höhere Anforderungen an das HBM.

Joungho Kim, der "Vater des südkoreanischen HBM", hat dieses Jahr betont: Neue Technologien wie das hybride Bonden werden eine entscheidende Rolle bei der zukünftigen Speicherentwicklung spielen.

Die zukünftige HBM-Entwicklung erfordert möglicherweise Hunderttausende oder sogar Millionen von Through-Silicon-Vias (TSV). Um eine so hohe Dichte zu ermöglichen, muss der Abstand zwischen den Leitungen erheblich verringert werden. Joungho Kim ist der Meinung, dass die traditionellen Thermocompression-Bonding-Geräte nicht in der Lage sein werden, der Nachfrage gerecht zu werden, weshalb die hybride Bondetechnologie unverzichtbar wird. Derzeit liegt der Bondabstand noch im Bereich von mehreren Mikrometern, während die nächste Generation von Technologien einen Abstand von 1 Mikrometer erreichen muss.

Die Marktanalysen von TrendForce zeigen, dass die drei großen HBM-Speicherhersteller aufgrund der Anforderungen an die Stapelhöhe, die I/O-Dichte und die Wärmeableitung beschlossen haben, die hybride Bondetechnologie in der HBM5 20hi (20-Schicht-Stapel) - Generation vollständig einzusetzen.

Samsung hat auf einem Forum für künstliche Intelligenz in Seoul angekündigt, dass es die hybride Bondetechnologie in seinem HBM4 einsetzen wird, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren und einen ultrabreiten Speicheranschluss zu ermöglichen. Darüber hinaus hat Samsung auch in diesem Jahr ein Patentlizenzabkommen mit ChangXin Memory Technologies über die hybride Bondetechnologie für die Herstellung von 400-Schicht-NAND-Speichern unterzeichnet.

SK Hynix hat 2023 angekündigt, dass sein hybrides Bondverfahren für die Herstellung von HBM die Zuverlässigkeitsprüfung bestanden hat. Das dritte Generation HBM (HBM2E) von SK Hynix stapelt DRAM in acht Schichten und hat alle Zuverlässigkeitstests nach der Herstellung mit dem hybriden Bondverfahren bestanden. Im April dieses Jahres hat ein Vizepräsident von SK Hynix angegeben, dass das Unternehmen die Anwendung des hybriden Bondens in HBM vorantreibt. Derzeit befindet es sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase und soll voraussichtlich erstmals in HBM4E eingesetzt werden.

Micron hat 2022 von Xperi eine Lizenz für die Cu - Cu - hybride Bondung erhalten und seine HBM3E-Chipverkapselung mit einer Kupfer-Silizium-hybriden Bondungstechnik realisiert.

Das aufstrebende Feld des hybriden Bondens hat auch viele Gerätehersteller in den Bann gezogen.

Im Bereich der hybriden Bondung wird der globale Markt hauptsächlich von internationalen Marktführern dominiert. Hierbei ist das niederländische Unternehmen BESI der Marktführer mit einem Marktanteil von 67 %. Zwischen 2021 und 2024 hat das Unternehmen mehr als 100 Bestellungen für hybride Bondungssysteme erhalten. Im Jahr 2024 hat es die ersten hybriden Bondungsgeräte mit einer Genauigkeit von 100 nm ausgeliefert und plant, bis Ende 2025 hybride Bondungsgeräte mit einer Genauigkeit von 50 nm zu entwickeln.

Hanmi Semiconductor sieht das hybride Bonden als Schlüssel für die zukünftige HBM-Entwicklung mit höherer Stapelung. Kürzlich hat Hanmi Semiconductor angekündigt, dass es 100 Milliarden Won in die Forschung und Produktion der hybriden Bondetechnologie investieren wird. Das Unternehmen hat auch einen klaren Plan für die Geräteentwicklung und plant, bis Ende 2027 ein hybrides Bondungsgerät auf den Markt zu bringen.

Ähnlich wie Hanmi Semiconductor hat auch ASMPT Fortschritte bei der hybriden Bondung erzielt. Seit 2021 hat ASMPT in die hybride Bondung investiert und im dritten