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干货 | Hybrid Bonding:引领半导体产业未来发展的关键技术
时间:2024.09.05 字号

在摩尔定律的推动下,光刻(Lithography)技术一直是半导体产业实现芯片线宽微缩的核心。然而,进入后摩尔时代,芯片设计理念发生了转变。除了微缩,芯片堆叠成为增加晶体管数量的重要手段,而键合(Bonding)技术则成为实现芯片堆叠的关键。键合技术的线宽和能耗直接决定了整个芯片系统的性能上限,因此,Hybrid Bonding(混合键合)技术在半导体产业中日益重要。

 

AI系统与后摩尔时代的需求:算力堆叠与芯片间数据传输

近年来,AI芯片需求迅猛增长。由于大型语言模型的复杂性,单一芯片无法容纳整个模型,AI芯片逐渐演化为系统化设计。AI系统通常包含多个计算芯片(如CPU、GPU、ASIC)和内存芯片(如HBM)。为了提升AI系统性能和降低能耗,系统设计者将需要大量数据沟通的芯片放置得更近,甚至采用2.5D或3D封装串接。这种串接不仅能加速传输速度,还能降低能耗,先进封装在系统能耗日益重要的时代扮演着重要角色。

 

 

封装技术的演进:从Wire Bonding到Hybrid Bonding

封装技术不断向先进封装方向发展,从Wire Bonding(引线键合)到Die Bonding(芯片键合),再到Hybrid Bonding。随着AI系统对算力的需求爆发,各大厂商开始疯狂堆叠芯片,高级封装技术被引入AI芯片系统。2.5D封装采用Micro bump(微凸点)技术,而需要更高内存和CPU/GPU数据传输速度的系统则采用3D Hybrid Bonding技术。

 

 

Hybrid Bonding技术应用广泛,不限于逻辑芯片堆叠

Hybrid Bonding技术不仅应用于3D封装,还广泛应用于CMOS图像传感器(CIS)、3D NAND、HBM等领域。HBM4(第四代高带宽内存)可能部分采用Hybrid Bonding,而HBM5则需要Hybrid Bonding来满足性能需求。Hybrid Bonding作为连接不同芯片或模块的技术,能够大幅提高数据传输速度,其重要性将日益凸显。

 

 

Hybrid Bonding技术原理与优势

Hybrid Bonding是晶圆键合技术,通过在晶圆之间形成直接的铜-铜(Cu-Cu)键合,实现芯片之间的互连。与传统的键合技术相比,Hybrid Bonding具有以下优势:

  • 更小的键合间距(pitch):Hybrid Bonding可以实现更小的键合间距,从而提高芯片间的互连密度,提升芯片性能。
  • 更低的电阻:由于铜-铜键合的电阻较低,Hybrid Bonding可以降低芯片间的信号传输延迟,提高芯片速度。
  • 更高的可靠性:Hybrid Bonding的键合强度高,可以提高芯片的可靠性。
  • 更低的功耗:由于电阻较低,Hybrid Bonding可以降低芯片间的功耗。
     

 

Hybrid Bonding技术对未来AI系统的重要性

尽管Hybrid Bonding技术在目前AI芯片中的应用还不多,但由于未来算力需求将驱动更多芯片堆叠,芯片间数据传输要求也将大幅提升,同时多芯片系统的能耗需要更高效,因此Hybrid Bonding技术将在AI芯片系统中扮演重要角色,无论是在3D封装还是在新一代HBM制造方面。AMD的AI GPU发展(MI300及下一代芯片)也印证了这一趋势。

 

 

结语

Hybrid Bonding技术作为一种先进的芯片键合技术,将在半导体产业未来发展中发挥关键作用。随着AI、高性能计算等领域的快速发展,对芯片性能和功耗的要求不断提高,Hybrid Bonding技术将为满足这些需求提供强大的支持。我们期待看到Hybrid Bonding技术在更多领域的应用,为半导体产业带来更多创新和突破。

 

本文转载自:逍遥设计自动化、https://www.redef.tech/home

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