良率和工艺问题拖累美光和三星电子出货进度。
2024 年市场焦点正从 HBM3 向 HBM3E 切换。虽然主流 GPU 芯片 H100 和 H200 等配套 HBM3， 但我们预计 HBM3E 在 2024 年下半年逐步放量，并有望成为三大原厂逐鹿市占率的重要战场。 在 HBM3 方面，根据半导体行业观察，SK 海力士最早于 3Q22 便已通过英伟达测试，目前英伟达 H100 搭配的 HBM3 产品来自 SK 海力士。三星电子凭借与 AMD 的长期合作关系，其 HBM3 产品 也通过了 AMD MI300 系列产品验证，包括 8 层和 12 层 HBM 产品，在 1Q24 之后放量。根据半导 体行业观察，由于美光始终没有加入 HBM3 供应系列，2024 年 HBM3 产品的主要参与者为 SK 海 力士和和三星电子。 在 HBM3E 方面，根据 TrendForce，SK 海力士 24GB 产品于 1Q24 率先通过客户验证，美光在 1Q24 底向客户递交 HBM3E 量产产品，并在 2Q24 向英伟达 H200 供应 HBM3E。
我们看到三家厂商把扩充 HBM 产能作为提升市占率和利润率的重要抓手。具体原因有：美光在 4QFY24 业绩会上表明 HBM 出货量快速爬升。HBM3E 产品收入在 3QFY24 超 1 亿美元， 同时拉动公司利润率水平。根据美光产能规划和客户验证导入情况，我们预计 HBM 在 2025 财年为 美光贡献超 10 亿美元收入。 根据“Memcon 2024”全球半导体企业大会信息，三星电子 HBM 业务的目标包括：1）短期内， 三星电子在 “Memcon 2024”全球半导体企业大会上表示， 2024 年 HBM 产量比 2022 年增加 2.9 倍；2）长期内，三星电子预计 2026 年 HBM 出货量是 2023 年的 13.8 倍，2028 年产量增加 到 2023 年的 23.1 倍。 SK 海力士计划对 HBM 重点投入。1）短期目标：根据 SK 海力士 2Q24 业绩会，公司计划在 2024 年增加资本支出，并将资本开支重心放在 HBM 等存储上，预计 2024 年 HBM 产能比 2023 年增加 一倍以上。2）长期目标：根据路透社信息，SK 集团 6 月 30 日宣布旗下 SK 海力士将投资 103 万 亿韩元（约合 747 亿美元），加强人工智能存储芯片业务。其中约 80%（即 82 万亿韩元）投资用 于 HBM 芯片，以推动 AI 芯片发展。出货量方面，SK 海力士预计到 2030 年其 HBM 出货量将达 到 1 亿颗。
根据 SK 海力士投资者日信息，HBM 工艺流程包括 TSV 制造、TSV 显露、凸块制造及堆栈键合等 环节。其中 TSV 制备、凸块制备及堆栈键合是其中最为关键的三个步骤，合计占 HBM 封装成本 40%以上。这三个步骤完成好坏直接影响 HBM 良率。根据半导体行业观察，截至 2024 年 6 月 19 日，三星电子 HBM 由于发热和功耗问题尚未通过英伟达测试。另外美光于 2024 年 4-5 月期间在 HBM3E 供货方面出现不少良率问题，充分体现了 TSV 制备和堆栈键合技术高低直接影响 HBM 良 率和供应能力。
根据名为《硅通孔三维互连与集成技术》的一篇论文（2024 年 6 月发表于《电子与封装》），TSV 是一种连接硅晶圆上下两面并与硅基板和其他通孔绝缘的电信号互连结构。硅通孔起源自 1958 年 William Shockley 申请的专利“半导体晶圆及其等效化方法”。TSV 结构包括可穿透硅基板的导电 填充物与侧壁的绝缘层，同时为了实现硅基板上下面的电气互联，还需要正面与背面互连从而实现 信号联通。
根据《硅通孔三维互连与集成技术》介绍的 3D 集成，TSV 工艺方法包括先通孔（Via-First）、中 通孔（Via-Middle）及后通孔（Via-Last）。其中， Via-Last 又分为晶圆正面的后孔（Front Side Via-Last）及从晶圆背面的后孔（Back Side Via-Last）两种，是目前 TSV 产业化最成熟的方案之一 。 根据《硅通孔三维互连与集成技术》，当前影响 TSV 应用后电性能的三大核心包括 TSV 刻蚀技术、 TSV 侧壁绝缘技术和 TSV 微孔金属化技术。1）TSV 刻蚀：常见硅刻蚀侧壁缺陷体现为粗糙度大及 出现硅缺口（Notch），直接影响 TSV 集成后电性能表现。2）TSV 侧壁绝缘：TSV 侧壁需要绝缘， 防止金属和硅短路，这对器件可靠性至关重要。通常情况下，TSV 介电绝缘层需要良好台阶覆盖和 均匀性，以保证高击穿电压下，产品不开裂并与工艺温度具备一定相容性。3）TSV 微孔金属化技 术：微孔金属化实现器件信号互连，是 TSV 核心技术之一。TSV 微孔金属化技术重点是阻挡层、种 子层和导电层，需关注硅通孔内金属填充效果。 根据《硅通孔三维互连与集成技术》，2.5D 封装中，在我们观点里，采用 TSV 有以下优势：1）能 提供更短电路连接，大幅提高信号的传输速度；2）能实现高密度、高深宽比连接，拥有更多信号通道；3）能替代效率低下的引线键合方式，使信号传输速度更快、功耗更少，并保证传递功率一 致性；4）能使高密度堆栈成为可能，拥有更高的封装密度，有效降低成本。
TSV 制作完成后，为了实现与上下层芯片或衬底信号连接，需要将 TSV 与 TSV、芯片和衬底相互键 合，目前的键合方式是依靠凸点。根据《三维系统级封装(3D-SiP)中的硅通孔技术研究进展》，制 造凸点的主要工艺有焊锡凸点电镀和铜柱凸点电镀。通过电镀形成的焊锡凸点在回流焊后无裂缝产 生，大小均匀。但目前焊料成分较难调控，并且在回流过程中易发生塌陷问题，从而进一步影响良 率。相比于焊锡凸点，电镀铜柱凸点具有良好的散热性和高可靠性，并且不会发生桥接问题，具备 高可靠性。
目前堆栈键合类型主要包括 SK 海力士采用的 MR-MUF 技术、三星电子和美光采用的 TC-NCF（非 导电薄膜热压缩）技术以及未来有希望用于 HBM4 制造的混合键合技术。根据 SK 海力士公开路演 PPT《hynix Tech Seminar（2023）》，MR-MUF 技术采用批量回流焊（MR）融化堆栈芯片之间 的凸块，让芯片互相连接。而模塑底部填充（MUF）是在堆栈芯片之间填充保护材料以提升耐久性 和散热效果的技术。TC-NCF 则与 MR-MUF 不同，在每次堆栈 DRAM 芯片时，TC-NCF 工艺强调在 每层 DRAM 之间放置不导电的粘合膜，用于使芯片彼此绝缘并保护凸点免受撞击。
根据半导体行业洞察， TC-NCF 相比 MR-MUF 的优势是在堆栈更高层数的 HBM 上更不容易发生翘 曲；而 MR-MUF 基于自身结构比 TC-NCF 的散热性能更佳：1）MR-MUF 工艺先通过回流焊连接芯 片，再用环氧塑封料填充芯片间隙，而 TC NCF 先用 NCF 非导电薄膜填充芯片间隙，再通过热压键 合连接芯片；2）MR-MUF 工艺散热凸点更多，并且使用优良导热性能的环氧塑封料填充芯片与芯 片的间隙，完成注塑和底填工艺，具备更好的导热性能。
