[Rulebreakers’ Revolutions] MR-MUF热控技术取得突破，HBM迈向新高度

 

 

体积更小、速度更快、带宽更高、性能更佳。如今，领先的存储器产品正迅速发展，以满足人工智能时代下的高需求。然而，这些进步也带来了一项可能阻碍下一代产品发展的挑战——热量过高。

为解决这一问题，SK海力士取得了前所未有的突破，开发出了一种名为批量回流模制底部填充（MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill）¹ 的新型创新封装技术，可以有效改善芯片的散热性能。自2019年以来，MR-MUF技术被应用于SK海力士开创性产品HBM²中，使公司在市场竞争中脱颖而出。作为唯一一家采用MR-MUF技术的公司，应用该技术的HBM产品的散热性能获得客户一致好评，SK海力士毫无疑问地成为HBM市场的领导者。

¹批量回流模制底部填充（MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill）: 批量回流焊是一种通过熔化堆叠芯片间的凸点以连接芯片的技术。通过模制底部填充技术，将保护材料填充至堆叠芯片间隙中，以提高耐用性和散热性。结合回流和模制工艺，MR-MUF技术将半导体芯片连接到电路上，并用环氧树脂模塑料（EMC）填充芯片间及凸点间的空隙。
²高带宽存储器（HBM, High Bandwidth Memory）: 一种高附加值、高性能存储器产品，通过硅通孔技术（TSV）将多个DRAM芯片垂直互联。与现有的DRAM产品相比，数据处理速度显著提高。

本文将探讨MR-MUF技术的开创性发展，并重点关注高导热性新材料如何解决下一代HBM产品热量过高的问题。

全力攻克散热难题

随着存储器产品的发展，散热问题愈发严峻，导致这一问题的原因有多个：例如，由于表面积减少和功率密度增加，半导体微型化会直接影响产品的散热性能；对于HBM这样的DRAM堆叠产品，热传导路径较长会导致热阻增加，热导性也会因芯片之间的填充材料而受限；此外，速度和容量的不断提升，也会导致热量增加。

若无法充分控制半导体芯片产生的热量，可能会对产品性能、生命周期和功能产生负面影响。这是客户重点关注的问题，因为此类问题会严重影响其生产力、能源成本和竞争力。所以，除容量和带宽外，包括散热在内均已成为先进存储器产品开发过程中的关键考虑因素。

因此，人们开始将注意力转向半导体封装技术，因其主要功能之一是热控制。在第二代HBM产品HBM2之前，SK海力士的HBM产品一直采用行业标准性热压非导电膜（TC-NCF，Thermal Compression Non-Conductive Film）³ 技术。然而，随着HBM产品的进步，需要更薄的芯片来容纳更多的芯片层，因此相应的封装技术需要控制更多的热量和压力。SK海力士在开发下一代产品时，还需要解决密集堆叠产品中因压力和厚度而造成芯片翘曲等问题。基于此，公司需要跳出固有思维，为未来产品开发一项全新封装技术。

³热压非导电薄膜（TC-NCF，Thermal Compression Non-Conductive Film）: 一种通过在芯片间涂抹薄膜状物质来堆叠芯片的技术。通过加热和加压融化这种物质，从而将芯片粘在一起。

MR-MUF技术及其新材料，填补散热控制拼图中缺失的一环

SK海力士在开发第三代HBM产品——HBM2E时，将传热控制作为改进的主要焦点。即便TC-NCF技术被公认为是适用于密集堆叠产品的封装解决方案，SK海力士仍旧坚持不断挑战现状，努力开发一种可优化散热性能的新型封装技术。经过无数次的测试和试验，公司于2019年推出了新型封装技术MR-MUF，继而彻底改变了HBM市场的未来。

TC-NCF技术与MR-MUF技术散热性能的结构差异

 

MR-MUF技术由SK海力士多个团队共同开发，该技术能够同时对HBM产品中所有的垂直堆叠芯片进行加热和互联，比堆叠芯片后填充薄膜材料的TC-NCF技术更高效。此外，与TC-NCF技术相比，MR-MUF技术可将有效散热的热虚设凸块数量增加四倍。

MR-MUF技术另一个重要特性是采用了一种名为环氧树脂模塑料（EMC, Epoxy Molding Compound）⁴ 的保护材料，用于填充芯片间的空隙。EMC是一种热固性聚合物，具有卓越的机械性、电气绝缘性及耐热性，能够满足对高环境可靠性和芯片翘曲控制的需求。由于应用了MR-MUF技术， HBM2E的散热性能比上一代HBM2提高了36%。

⁴环氧树脂模塑料（EMC, Epoxy Molding Compound）: 一种基于热固性聚合物环氧树脂的散热材料。这种材料可用于密封半导体芯片，以避免芯片受到外部环境因素影响，如高温、潮湿、震动等。

虽然MR-MUF技术也被用于HBM2E的下一代产品——8层HBM3，但在2023年开发12层HBM3时，SK海力士还是将MR-MUF技术提升到了一个新高度。为了保持产品的整体厚度，DRAM芯片必须比8层HBM3所用的芯片薄40%，因此解决芯片翘曲成为了一个关键问题。SK海力士积极应对挑战，开发了先进的MR-MUF技术，并引入了业界首创的芯片控制技术（Chip Control Technology）⁵ 和改善散热效果的新型保护材料。在此过程中，因其在先进MR-MUF技术中应用的新型EMC与原始MR-MUF技术中的EMC相比，使散热性能提高了1.6倍，SK海力士再次实现材料创新。

⁵芯片控制技术（Chip Control Technology）: 在堆叠芯片时，对每个芯片施加瞬间高热，使顶层芯片下的凸点与底层芯片上的薄垫熔合。薄垫将芯片固定在一起，以防止翘曲。

凭借热量控制技术，SK海力士成功实现了最高级别HBM的量产

HBM产品发展及散热性能优化时间线

 

从开发HBM2E开始，MR-MUF技术及随后推出的先进MR-MUF技术的应用，使SK海力士能够生产出业界最高标准的HBM产品。时至2024年，SK海力士已成为首家量产HBM3E的公司，这是最新一代、拥有全球最高标准性能的HBM产品。在应用先进的MR-MUF技术后，与上一代8层HBM3相比，HBM3E在散热性能方面提高了10%，成为人工智能时代炙手可热的存储器产品。展望未来，公司将继续保持其在HBM领域的市场主导地位，并宣布计划将下一代HBM4产品的量产提前至2025年。

打破常规者专访：HBM产品封装部门，河京武TL

 

为了更深入地了解MR-MUF技术开发和HBM发展的渊源，本文采访了HBM产品封装部门的河京武TL。通过对新材料的探索、测试和验证，河京武积极推动着MR-MUF技术的发展，并就这一创新工艺所带来的影响进行了深入探讨。