Samsung HBM: Gelingt die Überholung?

Der Wettbewerb um die nächste HBM-Generation erstreckt sich von der Leistung der DRAM-Chips bis zu den fortschrittlichen Verpackungsverfahren.

Laut einem Bericht von Damnang am 7. Oktober stößt SK Hynix bei der Entwicklung der Hybrid-Bonden-Technologie für die nächste HBM-Generation auf Schwierigkeiten, während Samsung Electronics angeblich bereits damit begonnen hat, Proben mit dieser Technologie an Kunden auszuliefern. Sollte diese Nachricht weiter bestätigt werden, dürfte Samsung bei der Validierung der fortschrittlichen Verpackungstechnologie für die nächste HBM-Generation die Oberhand gewinnen.

Allerdings stammt diese Information nicht aus offiziellen Mitteilungen der beiden Unternehmen, sondern basiert auf Interviews mit Technikern und entsprechenden sekundären Berichten. Die Berichte geben keine klare Angabe zur betroffenen HBM-Generation, zur Anzahl der Stapelschichten und zu Kundendaten, sodass sie nicht ausreichen, um den tatsächlichen Entwicklungsrückstand der beiden Seiten zu beurteilen, geschweige denn zu bestätigen, dass Samsung im Wettbewerb um die nächste HBM-Generation bereits umfassend führend ist.

Was noch wichtiger ist: Die Fortschritte von SK Hynix bei der Hybrid-Bonden-Technologie entsprechen nicht dem Entwicklungsfortschritt seiner nächsten HBM-Produkte.

Am 18. Juni gab SK Hynix bekannt, dass es Proben von 12-schichtigem HBM4E mit einer Kapazität von 48 GB an Hauptkunden ausgeliefert hat, die mit seiner bestehenden Advanced MR-MUF-Verpackungstechnologie hergestellt werden. Das Unternehmen erklärte, dass das Wärmewiderstand dieses Produkts im Vergleich zu HBM4 um 17 % verbessert wurde.

Das bedeutet, dass SK Hynix auch bei Schwierigkeiten bei der Entwicklung des Hybrid-Bondens die bestehende Verpackungslinie weiterverwendet, um die nächsten HBM-Produkte voranzutreiben. Die wirklich beachtenswerte Frage lautet: Inwieweit können die herkömmlichen Verpackungsverfahren die Anforderungen an Leistung, Wärmeabfuhr und Verpackungshöhe erfüllen, wenn HBM zu höheren Stapelschichten übergeht, und welche Herstellungshürden muss das Hybrid-Bonden überwinden, um eine Massenproduktion zu erreichen?

Warum ist Hybrid-Bonden zu einer wichtigen Richtung für die nächste HBM-Generation geworden?

HBM bietet GPU und AI-Beschleunigern einen Hochbandbreiten-Speicher, indem mehrere DRAM-Chips vertikal gestapelt werden. Mit der zunehmenden Größe der KI-Modelle muss HBM nicht nur Kapazität und Bandbreite erhöhen, sondern auch Leistungsverbrauch und Wärmeentwicklung im begrenzten Verpackungsraum kontrollieren.

Gegenwärtig werden bei herkömmlichen HBM-Stapeln normalerweise Mikro-Bumps verwendet, um die oberen und unteren Chips zu verbinden, und der Spalt zwischen den Chips wird durch entsprechende Füll- und Schutzmaterialverfahren behandelt. Das Advanced MR-MUF von SK Hynix ist ein Vertreter dieser technischen Linie, das durch Optimierung der Verbindung von Mikro-Bumps sowie des Füll- und Aushärtungsverfahrens von flüssigen Schutzmaterialien die Zuverlässigkeit und Wärmeableitungsleistung der Stapelstruktur verbessert.

Das Hybrid-Bonden versucht, die Abhängigkeit von Mikro-Bumps weiter zu verringern. Diese Technologie verbindet die Kupferinterconnect-Strukturen auf den Oberflächen der oberen und unteren Chips direkt und lässt gleichzeitig die dielektrischen Isolationsschichten in der Umgebung miteinander verbinden, wodurch der Raum verringert wird, der von herkömmlichen Interconnect-Strukturen eingenommen wird.

Seine Vorteile liegen darin, dass ein kleinerer Interconnect-Abstand und eine kürzere elektrische Verbindungsdistanz voraussichtlich die Interconnect-Dichte erhöhen, den Signalübertragungsverlust verringern und Bedingungen für dichtere DRAM-Stapel schaffen. Die Reduzierung einiger Zwischenmaterialien in der Verbindungsgrenzfläche kann auch die Wärmeleitung verbessern.

Mit der Entwicklung von HBM von 12 Schichten zu 16 Schichten und noch höheren Schichten werden die räumlichen Einschränkungen und der Wärmeableitungsdruck zwischen den Chips noch ausgeprägter, und der potenzielle Wert des Hybrid-Bondens steigt entsprechend.

Samsung hat bereits am 17. März in einer Veröffentlichung im Zusammenhang mit der GTC-Veranstaltung die hybride Kupfer-Bonden-Technologie HCB vorgestellt und sie als technische Lösung positioniert, die die nächste HBM-Generation mit 16 Schichten und mehr unterstützt. Samsung erklärte, dass HCB im Vergleich zum herkömmlichen thermischen Druckbonden (TCB) den Wärmewiderstand um mehr als 20 % senken dürfte.

Diese technische Richtung stimmt mit den Angaben zum Probenfortschritt in dem aktuellen Bericht überein, aber die technische Demonstration bedeutet nicht, dass das Produkt bereits in Massenproduktion ist. Die von Samsung angegebene Verbesserung des Wärmewiderstands kann auch nicht direkt mit den Daten verglichen werden, bei denen SK Hynix bei HBM4E eine 17%ige Verbesserung gegenüber der vorherigen Generation erzielt hat: Ersteres vergleicht die Verbindungsmethoden, Letzteres vergleicht Produkte verschiedener Generationen, und die Vergleichsgrundlagen der beiden sind nicht identisch.

Die eigentliche Schwierigkeit besteht darin, den Verbindungsvorgang stabil und wiederholbar zu gestalten

Die Herstellungsschwierigkeit des Hybrid-Bondens geht weit über das genaue Ausrichten und Anhaften zweier Chips hinaus.

Gemäß der Prozessinterpretation von Applied Materials ist das chemisch-mechanische Polieren (CMP) einer der Schlüsselschritte. Hersteller müssen die Höhenbeziehung zwischen den Kupferpads und der umgebenden dielektrischen Schicht präzise steuern, damit die Verbindungsfläche die Anforderungen an die Ebenheit im Nanobereich erfüllt.

Wenn die Vertiefung der Kupferoberfläche zu tief ist, können die oberen und unteren Kupferstrukturen möglicherweise nicht ausreichend in Kontakt treten; wenn die Kupferoberfläche zu stark hervorsteht, kann dies die Verbindung der dielektrischen Schicht stören und das Risiko für Grenzflächenfehler erhöhen. Daher müssen die Ebenheit der Verbindungsfläche, die Höhe der Kupferpads und die Konsistenz des gesamten Bereichs streng kontrolliert werden.

Gleichzeitig können Partikel und Oberflächenverunreinigungen, die beim Polieren und Chip-Schneiden entstehen, sowie zeitliche Veränderungen der Oberflächeneigenschaften nach der Aktivierung die Verbindungsqualität beeinträchtigen. Dies erfordert von Herstellern eine koordinierte Verwaltung von Reinigung, Oberflächenbehandlung, Umgebungsreinheit und Verbindungszeitfenstern.

Mit anderen Worten: Das Hybrid-Bonden lässt sich nicht lösen, indem nur ein hochpräzises Verbindungsgerät angeschafft wird. Schritte wie Polieren, Reinigen, Prüfen, Chip-Ausrichtung und Verbinden müssen eine stabile Prozesskette bilden, um die erfolgreiche Verbindung im Labor zu einem wiederholbaren Massenproduktionsergebnis umzuwandeln.

Die strukturellen Eigenschaften von HBM selbst erhöhen die Schwierigkeit weiter.

Um die Verpackungshöhe zu kontrollieren und gleichzeitig die Anzahl der Stapelschichten zu erhöhen, müssen DRAM-Chips ständig dünner gemacht werden. Je dünner der Chip ist, desto anfälliger ist er für Verformungen durch mechanische Belastungen, was wiederum das Risiko von Positionsabweichungen und Verbindungsfehlern erhöht. Mit zunehmender Anzahl der Stapelschichten bedeuten mehrere Verbindungsgrenzflächen auch mehr potenzielle Ausfallschritte.

Allerdings gibt es derzeit keine zuverlässigen Informationen, an welchem genauen Arbeitsgang SK Hynix auf Schwierigkeiten stößt. CMP, Oberflächenverunreinigungen und Chip-Verformung sind allgemeine Herstellungsherausforderungen beim Hybrid-Bonden und können nicht direkt als Grund für den aktuellen Entwicklungsrückschlag angesehen werden.

Von der technischen Validierung zur Massenproduktion gibt es noch eine Hürde bei der Ausbeute

Die Industrialisierung des Hybrid-Bondens hängt auch von der spezifischen Art der Chip-Verbindung ab.

imec hat zuvor die Wafer-zu-Wafer-Verbindungstechnologie vorgestellt, bei der zwei Wafer insgesamt ausgerichtet und aneinandergepresst werden. Diese Methode kann eine große Anzahl von Chips auf einmal verarbeiten, aber wenn Chips mit Fehlern ebenfalls verbunden werden, kann dies die Gesamtausbeute beeinträchtigen.

Eine andere Methode ist die Die-to-Wafer-Verbindung, bei der zuerst qualifizierte Chips ausgewählt und dann einzeln auf dem Ziel-Wafer platziert werden, um die Verbindung abzuschließen. Ihr Vorteil liegt darin, dass vorab geprüfte fehlerfreie Chips bevorzugt verwendet werden können, aber das einzelne Aufnehmen, Positionieren und Verbinden stellt auch Herausforderungen für die Produktionseffizienz dar.

Die entsprechende Interpretation des Professors Seunghwan Joo von der Inha-Universität, die im News Center von SK Hynix veröffentlicht wurde, weist darauf hin, dass sich die Die-to-Wafer-Verbindung in Richtung der kommerziellen Anwendung von HBM entwickelt. Dies zeigt, dass die durch Wafer-Experimente nachgewiesene Verbindungsgenauigkeit nicht dasselbe Problem ist wie die Ausbeute und Produktionseffizienz, die für die mehrschichtige Stapelung von HBM erforderlich sind.

Gerätehersteller verbessern die Prozesskette auch im Hinblick auf dieses Herstellungsproblem.

Am 1. Oktober gaben Applied Materials und Besi die Erweiterung ihrer Zusammenarbeit im Bereich der fortschrittlichen Verpackung bekannt. Die beiden Seiten kombinieren die Prozesstechnologien von Applied Materials in den Bereichen Polieren, Reinigen und metrologische Prüfung mit der Chip-Platzierungs- und Verbindungstechnologie von Besi. Eines der entsprechenden Ergebnisse ist das integrierte Die-to-Wafer-Hybrid-Bonden-System Kinex.

Diese Zusammenarbeit zeigt, dass sich der Wettbewerb um das Hybrid-Bonden von der Genauigkeit einzelner Geräte bis zur Fähigkeit zur Prozessintegration vor und nach der Verbindung erstreckt. Allerdings zeigen die vorhandenen Daten nicht, dass Samsung oder SK Hynix dieses System bereits übernommen haben.

Für HBM-Hersteller besteht die eigentliche Herausforderung darin, jede Verbindungsgrenzfläche stabil zu halten, nach der mehrschichtigen Stapelung die Anforderungen an die Produktzuverlässigkeit zu erfüllen und gleichzeitig Produktionseffizienz und Herstellungskosten in einem akzeptablen Bereich zu kontrollieren. Die erfolgreiche Verbindung von Proben ist nur der erste Schritt.

Kann der Probenvorteil von Samsung in die Wettbewerbsfähigkeit bei der Massenproduktion umgewandelt werden?

Wenn die Informationen in dem aktuellen Bericht zutreffen und Samsung bereits HBM-Proben mit Hybrid-Bonden an Kunden ausgeliefert hat, liegt sein Vorteil zunächst im Forschungs- und Entwicklungsfortschritt und im Prozess der Kundenvalidierung. Ein früherer Eintritt in die Kundentests hilft, Probleme bei der Verbindungs Zuverlässigkeit, Wärmeableitung und Systemintegration frühzeitig zu erkennen und Erfahrungen für die nachfolgende Produktentwicklung zu sammeln.

Zwischen der Probenauslieferung und der Massenproduktion besteht jedoch noch eine Lücke. Der Fortschritt der Kundenzertifizierung, die Ausbeute bei der Massenproduktion, die Herstellungskosten und das lieferbare Volumen sind die Schlüsselindikatoren, um zu beurteilen, ob der technische Vorteil in kommerzielle Wettbewerbsfähigkeit umgewandelt werden kann.

Gleichzeitig hat SK Hynix die Auslieferung von HBM4E-Proben über Advanced MR-MUF vorangetrieben, was zeigt, dass die herkömmliche Verpackungslinie noch ihre Rolle spielt. Das neue Hybrid-Bonden bedeutet nicht, dass die vorhandenen Verfahren sofort vom Markt verschwinden. Die beiden Linien können parallel entwickelt werden, und die spezifische Wahl hängt von den Leistungsanforderungen des Produkts, den Herstellungsfähigkeiten und der Wirtschaftlichkeit der Massenproduktion ab.

Daher kann derzeit nicht allein aufgrund eines Interviewberichts festgestellt werden, dass Samsung umfassend führend ist, noch können die Schwierigkeiten von SK Hynix beim Hybrid-Bonden mit einem Stillstand der HBM-Produktentwicklung gleichgesetzt werden.

In der nächsten Phase ist es beachtenswerter, bei welcher HBM-Generation und bei wie vielen Stapelschichten die beiden Seiten das Hybrid-Bonden einführen und ob es wesentliche Unterschiede bei der Kundenzertifizierung, dem Zeitplan für die Massenproduktion und der Ausbeuteleistung gibt.

Der HBM-Wettbewerb entwickelt sich von der reinen Erhöhung der Anzahl der Stapelschichten zu einem systemischen Wettbewerb aus Speicherdesign, Verbindungsverfahren, Wärmemanagement und fortschrittlicher Verpackung. Das Hybrid-Bonden dürfte das Potenzial der hochdichten Stapelung weiter freisetzen, aber was seinen industriellen Wert letztendlich bestimmt, ist nicht die Fähigkeit, eine Gruppe von Proben erfolgreich herzustellen, sondern die Fähigkeit, den technischen Vorteil in eine nachhaltige Lieferfähigkeit umzuwandeln, mit stabiler Ausbeute, angemessenen Kosten und ausreichender Produktionskapazität.

Abschließend

Tatsächlich verbirgt sich hinter dieser Nachricht noch eine weitere Information: Der Marktanteil von Samsung bei HBM hat sich stark erhöht.

Zuerst müssen wir anerkennen, dass unter den aktuellen HBM-Auslieferungen, die hauptsächlich von HBM3E und HBM4 dominiert werden, SK Hynix mit einem Marktanteil von 50 % der führende Hersteller ist. Aber wir sehen auch, dass der Marktanteil von SK Hynix leicht zurückgegangen ist, nachdem das Unternehmen zuvor bis zu 64 % der weltweiten Ausgaben für HBM-Speicher gehalten hat.

Laut Daten von Counterpoint Research ist der Marktanteil von Samsung bei HBM von 21 % im ersten Quartal auf 33 % im zweiten Quartal gestiegen, was den Anteil von SK Hynix auf 30 % drückt. Es wird erwartet, dass sich dieser Anteil mit der Zunahme der HBM4-Auslieferungen im zweiten Halbjahr weiter vergrößern wird. Der Markt erwartet, dass der Preis von Samsungs HBM-Produkten bis 2027 mehr als verdoppeln wird im Vergleich zu diesem Jahr, und die Vertragspreise seiner Produkte sind die höchsten unter den drei großen Speicherherstellern, einschließlich SK Hynix und Micron. Laut Daten von KB Securities wird der Anteil der HBM4-Produkte am HBM-Umsatz von Samsung bis 2027 voraussichtlich von 40 % in diesem Jahr auf 80 % verdoppelt.

Daraus geht hervor, dass Samsung im HBM-Bereich offenbar eine schöne Revanche geschafft hat.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „Halbleiterindustrie-Beobachtung“ (ID: icbank), Autor: Redaktion, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.