在當前人工智慧 (AI) 晶片中扮演不可或缺地位的高頻寬記憶體 (HBM)，其生產困難點有哪些，為什麼迄今只有全球記憶體三大廠有能力跨入該市場，外媒先前做了一個綜合性的分析。
報導表示 HBM 透過使用 3D 堆疊技術，將多個 DRAM（動態隨機存取記憶體）晶片堆疊在一起，並通過矽穿孔技術（TSV，Through-Silicon Via）進行連接，進一步達到高頻寬和低功耗的特點。HBM 的應用中，CowoS（Chip on Wafer on Substrate）封裝技術是其中一個關鍵的生產手段。
CowoS 封裝中的 HBM 技術困難度目前歸納了幾項要點：
1、3D 堆疊及 TSV 技術的挑戰
在堆疊精度部分，在 HBM 中，多個 DRAM 晶片需要高度精準的堆疊在一起。這需要極高的製造技術水準，以確保每層晶片的對準精度，以避免電氣性能的損失。至於，矽穿孔製成技術上，因為 TSV 技術是將垂直通孔穿透每一層矽片，並在通孔內填充導電材料。這一過程涉及精密的刻蝕和填充技術，稍有不慎就可能導致電氣連接問題或熱應力問題。
2、熱管理
由於 HBM 晶片是 3D 堆疊結構，相較於傳統的 2D 晶片，單位體積內的熱量密度更高，這會導致晶片內部的熱量難以散發，可能引發熱失效。因此，CowoS 封裝需要設計高效的熱管理方案，例如使用先進的散熱材料和結構設計，來確保晶片的熱穩定性。
3、電源和信號完整性
HBM 需要高頻寬的數據傳輸，這對電源分配網路提出了極高的要求。任何電源雜訊都可能影響 HBM 的性能，導致數據傳輸錯誤。因此，CowoS 封裝必須確保穩定的電源供應和有效的雜訊抑制。還有信號完整性問題，也就是高速數據傳輸對信號完整性產生了挑戰，CowoS 封裝需要確保在高頻環境下，信號傳輸的完整性。這牽涉到阻抗匹配、信號線長度優化以及減少信號干擾等技術。
4、封裝技術的複雜性
由於 CowoS 封裝需要將矽片、基板和散熱材料等多種材料整合在一起，這要求各材料的熱膨脹係數匹配，以避免因熱膨脹差異導致的機械應力和晶片損壞。還有封裝可靠性問題，例如在 CowoS 封裝中的多層結構和複雜的連接方式，都需要確保封裝的長期可靠性，包括抗機械衝擊、熱迴圈和電遷移等因素的影響。
5、製造成本
當然成本是影響產品商業化專關鍵的部分，由於 CowoS 封裝涉及複雜的製造技術和生產的高精度設備，其製造成本較傳統封裝方式高得多。這對量產提出了經濟性挑戰，需要在高性能和成本之間找到平衡。
整體來說，HBM 在 CowoS 封裝中的應用，儘管面臨多方面的技術難題，但其所帶來的高頻寬和低功耗優勢，使其在高性能計算和 AI 晶片領域中具有巨大的潛力。隨著封裝技術的不斷進步，這些技術難題有望逐步被克服，進而進一步推動 HBM 技術的普及應用。
(首圖來源：SK海力士)
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