BBCube 3D：使用WoW/CoW进行3D-DRAM封装

按：在3D-DRAM 封装领域，东京工业大学提出一种新的封装技术-BBCube，能够更有效地提高DRAM带宽且降低能耗。

问题意识

内存封装技术代次比较

• • 对高数据带宽的需求正在增加
• • 已经引入了HBM（高带宽内存）
• • 在相同功耗下提供更高（相较于DDR）的带宽
• • 2D传输方式限制了访问能耗的改进
• • 异构3D集成
• • 正在铺平通向10TB/s的道路

右图介绍了不同内存工艺下的位访问能耗密度（y轴）与内存带宽（x轴）的比较关系，可以得出：

• • DDR (2D)：基于2D的内存技术（较高能耗），内存带宽较低；
• • HBM (2.5D)：基于2.5D的高带宽内存技术（较低能耗），内存带宽较DDR有所提升；
• • Heterogeneous 3D：异构3D集成（能耗进一步降低，带宽更高），且内存带宽有望突破10TB/s

图片展示了对高数据带宽需求的增长趋势以及当前技术的演变。HBM作为一种2.5D内存技术，在功耗和性能之间取得了较好的平衡，但仍受限于2D传输的限制。为进一步提升带宽和降低能耗，异构3D集成技术被提出，能够达到更高的带宽（如10TB/s）并实现更低的访问能耗。

异构3D集成挑战

• • 散热（Cooling）
• • xPU无法充分散热。
• • 电力传输（Power delivery）
• • TSV（硅通孔）的阻抗会导致电源电压下降和较大的电压波动。
• • BBCube有潜力解决3D集成问题
• • 密集的TSVs（硅通孔）。
• • 薄芯片设计（Thin dies）。

表格：

1. 1. 左侧列：Memories on top of xPU（存储器位于xPU之上）
   • • 结构：DRAM芯片堆叠在xPU上，存在散热问题。
   • • 散热：困难。
   • • 电力传输：容易。
2. 2. 右侧列：BBCube 3D
   • • 结构：改进后的设计（DRAM芯片堆叠在xPU下方），散热得到解决。
   • • 散热：容易。
   • • 电力传输：容易。

图片重点分析了异构3D集成（3DI）技术的主要挑战，包括散热不足和电力传输问题。传统设计（存储器堆叠在xPU上）在散热方面存在显著困难，而电力传输相对简单。BBCube 3D结构通过密集TSVs和薄芯片的设计，有效改善了散热，同时保持了电力传输的优势，因此被认为是解决3DI挑战的潜在方案。

BBCube 3D 的结构

• • BBCube 3D包括：

多个xPU芯粒（Multiple xPU chiplets）

最后一层缓存芯片（Last level cache die）

层叠式DRAM（Laminated DRAMs）

基底芯片（Base die）

• • 堆叠方式：

通过WoW（Wafer-on-Wafer，晶圆对晶圆）和CoW（Chip-on-Wafer，芯片对晶圆）技术实现堆叠。

BBCube 3D结构通过堆叠xPU、缓存芯片、层叠DRAM和基底芯片，形成紧凑的3D集成设计。采用先进的WoW和CoW堆叠技术，确保高密度的集成。硅通孔（TSV）为层间提供了高效的电力和信号连接，这种设计兼具高性能与散热优化的特点。

BBCube 3D 的加工过程（CoW）

• • 步骤 (1): Attach Face-down（芯片正面向下粘附）

将xPU芯片的正面朝下通过粘合剂固定到基板上。

• • 步骤 (2): Molding（模塑）

对已粘附的芯片进行模塑以确保结构的稳定性。

• • 步骤 (3): Bonding and wafer thinning（绑定与晶圆减薄）

将模塑的芯片绑定到基底晶圆（Base wafer）上，并对晶圆进行减薄。

• • 步骤 (4): Litho, etching and liner deposition（光刻、蚀刻与衬底沉积）

在基底晶圆上进行光刻、蚀刻和衬底材料的沉积工艺。

• • 步骤 (5): Cu ECD and planarization by CMP（铜电镀沉积与化学机械抛光）

通过铜电镀沉积（Cu ECD）填充电气连接点，并使用化学机械抛光（CMP）实现表面平整。

BBCube 3D 的加工过程（WoW）

• • 步骤 (2c): Wafer thinning（晶圆减薄）

DRAM晶圆在附着到临时载体晶圆（Carrier wafer）上后，进行晶圆减薄处理。

使用临时粘合剂固定。

• • 步骤 (2): Bonding and debond carrier wafer（晶圆绑定与载体晶圆移除）

将薄化后的晶圆与基底晶圆（Base wafer）绑定，然后移除临时载体晶圆。

• • 步骤 (3): Litho, Etching and liner depo（光刻、蚀刻与衬底沉积）

在基底晶圆上进行光刻图案化、蚀刻工艺和衬底材料的沉积。

• • 步骤 (4): Cu ECD and flattened by CMP（铜电镀沉积和化学机械抛光）

使用铜电镀沉积（Cu ECD）工艺填充，然后通过化学机械抛光（CMP）平整表面。

• • 步骤 (9): Repeat step 6 to 8（重复步骤6到8）

在支持晶圆（Support wafer）上重复之前的关键步骤，逐步完成多个层的堆叠。

• • 步骤 (13): Dicing and singulation（切割与分离）

在堆叠完成后，将晶圆切割成独立的单元（Dicing），并将每个单元分离（Singulation），形成最终的xPU、DRAM和基底芯片堆叠模块。

Note：材料中省去5-8技术步骤，估计是对关键步骤的保护。

BBCube 性能预估

BBCube 3D的性能提升：

相比DDR5：

• • 带宽提升30倍。
• • 访问能耗降低20倍。

相比HBM2E：

• • 带宽提升4倍。
• • 访问能耗降低5倍。

• • 提出了一种异构3DI技术，称为BBCube 3D

结合了无凸点的WoW（晶圆对晶圆）和CoW（芯片对晶圆）工艺。

使用高密度、低电容的TSV（硅通孔）。

• • BBCube 3D的优势

通过低温工艺实现高可靠性。

比DDR5带宽高30倍，访问能耗低20倍；比HBM2E带宽高4倍，访问能耗低5倍。

在一个DRAM立方体上堆叠45W功耗的xPU。如果堆叠9个BBCube（约为掩模版大小），总功耗可超过423W，显示强大的扩展能力。

总结

• • BBCube 将HBM封装在计算单元下方，从而缓解因热量控制导致的内存数据失效；
• • 介绍 BBCube 的封装过程（WoW）；
• • 比较了BBCube 与 DDR/HBM 工艺的带宽和能耗差异。