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1、HBMHBM专题报告专题报告跨越带宽增长极限,跨越带宽增长极限,HBMHBM赋能赋能AIAI新纪元新纪元证券研究报告投资评级:()报告日期:行业推荐维持2024年06月28日分析师:毛正分析师:毛正SAC编号:S01联系人:张璐联系人:张璐SAC编号:S19专题报告投 资 要 点投 资 要 点AIAI时代存储新需求催生时代存储新需求催生HBMHBM,海内外供需缺口扩大蓝海广阔,海内外供需缺口扩大蓝海广阔随着人工智能的兴起,对高算力和带宽的需求推动了存储的发展。相较于传统的DRAM,HBM技术采用垂直堆叠DDR芯片与GPU封装实现高带宽、低延迟和低功耗
2、,突破了传统内存的限制,适应AI时代的新需求。目前全球市场由海力士、三星和美光主导,中国厂商如武汉新芯、长鑫存储和华为也在积极推进HBM国产化,市场供需缺口仍持续扩大,DRAM涨价周期叠加AI驱动下,HBM价格预计继续上涨,市场规模预计在2024年达到约70亿美金。TSVTSV、混合键合、混合键合、EMCEMC占据产业链价值高地占据产业链价值高地HBM的生产涉及TSV、凸点制造、堆叠工序。其中,TSV是HBM生产流程中最核心的工艺,也是价值量占比最高的工艺环节;凸点制造将随着未来间距缩小走向混合键合,是HBM未来的发展趋势;EMC是海力士关键工艺MR-MUF的主要材料,在堆叠过程中提供保护、导
3、热、绝缘等复合功能。目前国内厂商在三大关键工艺环节正加速追赶,国产替代空间广阔。给予给予HBMHBM行业投资评级:推荐行业投资评级:推荐HBM作为AI浪潮下必不可少的存储器件,供需缺口将推动HBM价值量持续攀升。TSV、混合键合、EMC三大关键工艺作为产业链价值占比较高且具有较好发展前景的环节,预计将率先受益。建议关注HBM相关设备:中微公司、拓荆科技、赛腾股份;HBM相关材料:雅克科技、联瑞新材、华海诚科;HBM封测:通富微电。诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 2yUwWpOmRsRqMmOqPyQoNqNsOoM9PaO6MoMoOmOqMiNpPsNjMoOpO6
4、MrQnMNZpOqMNZrNtQ重 点 关 注 公 司 及 盈 利 预 测重 点 关 注 公 司 及 盈 利 预 测资料来源:Wind,华鑫证券研究(注:未评级公司盈利预测取自wind一致预期)公司代码公司代码名称名称20242024-0606-2727股价股价EPSEPSPEPE投资评级投资评级202320232024E2024E2025E2025E202320232024E2024E2025E2025E002156.SZ002156.SZ通富微电通富微电22.0722.070.110.110.590.590.740.74200.64200.6437.4137.4129.8229.82增持
5、增持002409.SZ002409.SZ雅克科技雅克科技62.4762.471.221.222.082.082.812.8145.7745.7730.0230.0222.2522.25未评级未评级603283.SH603283.SH赛腾股份赛腾股份74.6174.613.433.434.084.084.794.7921.7521.7518.2918.2915.5815.58买入买入688012.SH688012.SH中微公司中微公司141.43141.432.882.883.233.234.084.0849.1149.1143.7943.7934.6634.66买入买入688072.SH688
6、072.SH拓荆科技拓荆科技125.98125.983.523.522.972.974.094.0965.6965.6942.4842.4830.7930.79买入买入688300.SH688300.SH联瑞新材联瑞新材47.5547.550.940.941.261.261.591.5956.5356.5337.8037.8029.8729.87未评级未评级688535.SH688535.SH华海诚科华海诚科67.5667.560.390.390.550.550.730.73236.64236.64122.26122.2692.1392.13未评级未评级诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要
7、免责声明PAGE 3风 险 提 示风 险 提 示宏观经济增长不及预期的风险;宏观经济增长不及预期的风险;海外科技管制进一步加强的风险;海外科技管制进一步加强的风险;本土科技创新突破不及预期的风险;本土科技创新突破不及预期的风险;下游需求恢复不及预期的风险;下游需求恢复不及预期的风险;行业景气度复苏不及预期的风险;行业景气度复苏不及预期的风险;推荐标的业绩不及预期的风险。推荐标的业绩不及预期的风险。诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 4目 录CONTENTS2 2.海内外需求缺口扩大,海内外需求缺口扩大,HBMHBM量价齐升量价齐升3 3.三大关键工艺占据产业链价值高地三大
8、关键工艺占据产业链价值高地1 1.存储紧随存储紧随AIAI步伐,步伐,HBMHBM应运而生应运而生诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 54 4.相关标的相关标的0101 存储紧随AI步伐,HBM 应运而生存储器是用来存储程序和数据的部件存储器是用来存储程序和数据的部件,对计算机来说,有了存储器,才能有记忆功能,才能保证正常工作。存储器的种类很多,按其介质的不同,将存储器分为光学存储、半导体存储和磁性存储三大类。1.1 DRAM1.1 DRAM份额稳居存储市场第一份额稳居存储市场第一诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 7图表:存储器类别资料来源:CSD
9、N,中国存储网,IT技术订阅,华鑫证券研究图表:计算机系统中的典型存储器层级结构及其使用的存储技术存储器半导体存储光学存储RAM易失性存储ROM非易失性存储SRAM静态RAMDRAM动态RAMDDRGDDRMROM掩膜式ROMPROM可编程ROMFlash Memory闪存EPROM可擦除可编程ROMOTPROM一次可编程ROMEEPROM可电擦除可编程ROMNOR FlashNAND FlashLPDDR磁性存储HBMDRAM,56%NAND Flash,41%NOR Flash,1%EEPROM/EPROM/ROM/其他,1%1.1 DRAM1.1 DRAM份额稳居存储市场第一份额稳居存储
10、市场第一诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 8资料来源:头豹研究院,Statista,华鑫证券研究半导体存储可分为易失性存储芯片(易失性存储芯片(RAM)和非易失性存储芯片(非易失性存储芯片(ROM)。其中,易失性存储主要以SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)为主。非易失性存储从早期的ROM(PROM、EPROM、EEPROM)到闪存(NOR Flash和NAND Flash)。根据传输速度、容量、数据可擦除性等关键参数,不同存储器拥有各自适用的领域,以计算机系统中的使用来看:SRAM速度够快,通常作为中央处理器(CPU)的缓存使用,DRAM价格低廉、容
11、量大,通常用作内存价格低廉、容量大,通常用作内存,NAND Flash用于大数据存储,NOR Flash通常用于代码存储。在存储行业产品的市场占有率方面,在存储行业产品的市场占有率方面,DRAM以超过以超过50%的份额稳居第一的份额稳居第一,紧随其后的是NAND,占比约为41%。NOR则保持稳定,维持着约1%左右的市场份额,其他产品如EEPROM等则占据约1%的市场份额。类型类型SRAMSRAMDRAMDRAMNANDNAND闪存闪存NORNOR闪存闪存非易失性不支持不支持支持支持每GB单价高低非常低低读取速度极快快慢快写入速度极快快慢慢最小写入单位字节字节页字节最小读取单位字节页页字节性能高
12、高中中适用CPU缓存内存大数据存储代码存储图表:四大存储类型对比图表:2021年存储细分市场结构1.2 GDDR1.2 GDDR、HBMHBM适用于高性能计算适用于高性能计算诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 9资料来源:启威测实验室,存储芯,华鑫证券研究在在HBM出现之前,出现之前,DRAM按照产品分类主要分为按照产品分类主要分为DDR、LPDDR和和GDDR。其中DDR适用于计算机、服务器和其他高性能计算设备等领域;LPDDR适合移动设备和嵌入式系统等需要长时间使用的场景,如手机、平板、穿戴等;GDDR是为了设计高端显卡而特别设计的高性能DDR存储器规格,它比主内存中
13、使用的普通DDR存储器时钟频率更高,发热量更小,所以更适合搭配高端显示芯片。图表:JEDEC(固态技术协会)定义三类 DRAM 标准图表:DDR、GDDR、LPDDR主要区别对比DRAM类型释义应用场景特点发展路线演进代数DDR/电脑平台内存规范(PC)高带宽,低延时1.标准基础2.通过提升核心频率来提升性能DDR/DDR2/DDR3/DDR4/DDR5GDDRG:Graphics(图像)显存规范,主要用于显卡高带宽,高延时侧重于数据位宽,远超同期DDR的运行频率GDDR/GDDR2/GDDR3/GDDR4/GDDR5/GDDR6LPDDRLP:Low Power(低功耗)移动平台内存规范,主
14、要应用于手机、平台、穿戴等低功耗,小体积1.四代之前是基于同代DDR发展2.四代之后,基于应用端独自发展,通过提高Prefetch预读取位数来提升性能LPDDR/LPDDR2/LPDDR3/LPDDR4(LPDDR4X)/LPDDR5(LPDDR5X)DRAMDDRDIMMSDRAM on PCBLPDDRR/LRDIMMSU/SODIMMS服务器、云计算、服务器、云计算、数据中心等数据中心等台式电脑、笔记台式电脑、笔记本电脑本电脑消费类应用、智消费类应用、智能家居能家居Discrete DRAMsDiscrete DRAMs智能手机、智能手机、汽车系统汽车系统数据密集型系统数据密集型系统(G
15、PU、AI、高、高性能计算等)性能计算等)GDDRHBM1.3 AI1.3 AI时代新需求,时代新需求,HBMHBM应运而生应运而生诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明随着人工智能技术的快速发展,传统的GDDR内存逐渐达到其技术发展的瓶颈。1 1)GDDR5GDDR5无法跟上无法跟上GPUGPU性能发展:性能发展:AI训练的参数量每两年增长410倍,而单GPU内存仅以每两年2倍的速度增长;硬件的峰值计算能力20年中提升了60,000倍,但DRAM带宽的增长却仅提高了100倍,互连带宽只提升了30倍。内存难以跟上AI硬件的计算速度,限制了AI芯片性能发挥,形成了“内存墙”;2 2)G
16、DDR5GDDR5限制了外形尺寸:限制了外形尺寸:为实现高带宽,越来越多的GDDR5和电路要集成在一起会限制产品的尺寸;3 3)片上)片上集成并非万能:集成并非万能:片上集成的兼容和可拓展性受到限制。HBMHBM的出现克服传统的出现克服传统GDDRGDDR在在带宽上的局限,并突破内存墙的限制,以适应带宽上的局限,并突破内存墙的限制,以适应AIAI时代对高算力和高带宽内存的需求。时代对高算力和高带宽内存的需求。PAGE 10图表:GDDR走向HBM图表:DRAM带宽、互连带宽的增长远小于硬件计算能力的增长图表:内存容量的增长远小于大模型参数量的增长资料来源:AMD,AI and Memory W
17、all,华鑫证券研究0 20 2 海内外需求缺口扩大,H B M 量 价 齐 升2.1 HBM2.1 HBM实现高带宽、低延迟和低功耗实现高带宽、低延迟和低功耗诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 12资料来源:Goldman Sachs,AMD,华鑫证券研究HBMHBM全称为High Bandwidth MemoryHigh Bandwidth Memory,即高带宽内存高带宽内存,它将多个DDR芯片垂直堆叠在一起后和GPU封装在一起。与传统的DRAM相比,它确保了更多的I/O(Input/Output,输入/输出)通道,一次可以传输大量的数据,在较小的物理空间内实现高带
18、宽、低延迟和低功耗高带宽、低延迟和低功耗,从而成为数据中心等应用场景的新一代内存解决方案。图表:HBM 架构高带宽:高带宽:增加存储堆栈的数量和位宽,以及提升数据传输速率,实现了高带宽。低延迟:低延迟:缩短存储器和逻辑芯片之间的距离,以及采用并行访问模式,实现了低延迟。低功耗:低功耗:降低工作电压,以及减少信号线的数量和长度,实现了低功耗。与与GDDR5相比,相比,HBM:显存位宽显存位宽是GDDR5的四倍,达到了1024-bit;时钟频率时钟频率为500MHz,远远小于GDDR5的1750MHz;显存带宽显存带宽大于100GB/s,而GDDR5的一颗芯片为25GB/s;数据传输数据传输速率速
19、率远高于GDDR5;芯片面积芯片面积是GDDR5的1/3。图表:HBM各代参数对比代际推出时间量产时间芯片密度带宽可堆叠高度容量HBM1201420152Gb128GB/s4Hi1GBHBM2201520168Gb307GB/s4Hi/8Hi4GB/8GBHBM2E2019202016Gb460GB/s4Hi/8Hi8GB/16GBHBM32021202216Gb819GB/s8Hi/12Hi16GB/24GBHBM3E2023202424Gb1.1TB/s8Hi/12Hi24GB/36GBHBM42025202524Gb2.0TB/s12Hi/16Hi36GB/48GBHBM自问世以来,其参
20、数经过了几代的演进与优化。每一代HBM产品的推出都比上一代有几倍的性能提升。目前目前HBMHBM已经来到已经来到了了HBM3EHBM3E量产的节点,下一步将朝着量产的节点,下一步将朝着HBM4HBM4进发。进发。海力士,53%三星,38%美光,9%图表:2023年全球HBM市场份额2.2 2.2 海外三大存储原厂三分海外三大存储原厂三分HBMHBM天下天下诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 13资料来源:芯智讯,SK海力士,半导体行业观察,快科技,三星,IT之家,IC Times,超能网,半导体产业纵横,华尔街见闻,华鑫证券研究图表:海力士、三星、美光的HBM产品路线图2
21、013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 20262013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026HBM1HBM2HBM2EHBM3HBM3EHBM4与AMD联合开发了全球首款HBM产品推出并开始量产HBM2 Flarebolt,用于英伟达Tesla P100业界首次成功研发出HBM推出并开始量产HBM2 Aquabolt成功研发HBM2E开始量产HBM2E成功研发HBM3开始量产HBM3成功研发全球最高规格HBM3E3
22、月末开始量产HBM3E,供货英伟达计划与台积电合作推出HBM4推出并开始量产HBM2推出并开始量产HBM2E Flashbolt推出并开始量产HBM3 Icebolt首发HBM-PIM内存计算技术成功研发HBM3EShineboltQ2开始量产HBM3E,用于AMD MI350计划推出HBM4宣布正式放弃HMC后转向研发HBM开始提供HBM22月开始量产HBM3E,用于英伟达H200开始提供HBM2E推出HBM3 Gen2(HBM3E)计划推出HBM4全球全球HBMHBM市场长久以来都由三大存储原厂牢牢占据龙头地位。市场长久以来都由三大存储原厂牢牢占据龙头地位。根据高盛的数据,2023年HBM
23、市场的竞争格局中,海力士约占54%,三星占41%,美光占5%。海力士目前占据市场主导地位,三星紧随其后追击,而美光虽然目前市场份额较小,但正在积极扩大产能和技术。由于HBM3E产能不足,三大巨头或都进入英伟达供应链,目前美光抢先获得英伟达H200订单,海力士也开始量产供货英伟达,三星已通过AMD MI350的验证,英伟达方面的验证时间稍晚于其他两家。首次用于AMD Fiji系列GPU误判市场解散HBM团队量产第二代HMC(混合存储),和英特尔联合开发2.3 2.3 国内国内HBMHBM初起步,三大巨头推进产线建设初起步,三大巨头推进产线建设诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAG
24、E 14资料来源:中商产业研究,东芯半导体,爱企查,华鑫证券研究国内DRAM市场大部分份额仍然被三星、海力士和美光等占据,还有部分台湾厂商南亚科技、华邦电子等角逐市场份额,国内厂商的市场份额相对较小,主要DRAM厂商有兆易创新、北京君正、东芯股份、长鑫存储、紫光国微、福建晋华等。国内国内HBMHBM国产化刚刚起步,存储巨头国产化刚刚起步,存储巨头加速推进。加速推进。国内存储厂商武汉新芯和长鑫存储正处于HBM制造的早期阶段,主要是为了应对未来人工智能(AI)和高性能计算(HPC)领域的应用需求。其中武汉新芯正在针对HBM建造月产能3000片晶圆的12英寸工厂,长鑫存储则与封装和测试厂通富微电合作
25、开发了HBM样品,并向潜在的客户展示。企业名称企业名称布局情况布局情况兆易创新存储器方面,公司为大陆存储芯片龙头生产商,产品线NOR+NAND+DRAM全覆盖,其中Nor全球第三、大陆第一。此外,兆易创新是国内MCU龙头。北京君正车载存储龙头生产商之一,有高速低功耗SRAM,低中密度DRAM,NOR/NAND Flash,嵌入式Flash pFusion,及eMMC等芯片产品。其收购的北京矽成(控股美国ISSI存储)在汽车DRAM领域,美光占据45%居全球第一,北京矽成占据15%居全球第二。东芯股份作为Fabless芯片企业,拥有独立自主的知识产权,聚焦于中小容量NAND/NOR/DRAM芯片
26、的研发、设计和销售,是目前国内少数可以同时提供NAND/NOR/DRAM设计工艺和产品方案的存储芯片研发设计公司。长鑫存储(未上市)一体化存储器制造商,公司专业从事动态随机存取芯片的设计、研发、生产和销售,目前已建成12英寸晶圆厂并投产。DRAM产品广泛应用于移动终端、电脑、服务器、虚拟现实和物联网等领域。紫光国微公司存储器芯片业务由参股子公司紫光国芯承担。紫光国芯主要从事存储器设计开发、自由品牌存储器芯片产品销售,以及集成电路设计开发、测试服务,建设了完整先进的DRAM存储器测试分析工程中心,同时拥有世界主流动态随机存储器和闪存存储器设计开发技术和经验。福建晋华(未上市)公司在福建省晋江市建
27、设12存内存晶圆厂生产线,开发先进存储器技术和制程工艺,并开展相关产品的制造和销售。图表:中国主要存储芯片企业布局情况除存储大厂以外,华为也准备建立其内部除存储大厂以外,华为也准备建立其内部HBM供应链。供应链。据The Information报道,华为已开始将其重点转移到有吸引力的HBM市场。该联盟现在与从事存储器业务的公司合作。HBM在AI市场的动态中发挥着至关重要的作用,特别是在制造AI加速器时,HBM在中国的供应受到更大程度的限制下,建立HBM内部生产链将有利提振未来国内AI能力。AIAI和高性能计算(和高性能计算(HPCHPC)领域的需求是)领域的需求是HBMHBM增长的主要增长的主
28、要驱动力。驱动力。HBM显著的高速、高带宽和低功耗特性使得它在AI和高性能计算领域中具有广泛的应用前景。AI服务器主流GPU如H100、A100、A800以及AMD MI250、MI250X等基本都配备了HBM。后续推出的王牌产品也持续升级HBM最新迭代版本,对HBM需求居高不下。全球各大科技巨头都在竞购全球各大科技巨头都在竞购HBM,AI浪潮下浪潮下HBM市场规模将快速增长。市场规模将快速增长。根据腾讯科技的测算,2024年全年,全球经由CoWoS封装的GPU产品,产能约为900万颗。按照单颗GPU逻辑芯片搭配6颗HBM内存颗粒的标准计算(部分搭配8颗HBM),全球2024年的GPU,对HB
29、M内存的需求就在5400万颗以上(12层为主)。TrendForce预估2023年全球HBM需求量将年增近60%,2024年将再成长30%。2.4 AI2.4 AI需求强劲驱动,需求强劲驱动,HBMHBM量价齐升量价齐升诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 15图表:2023-2025年英伟达、AMD产品计划AI爆发带动爆发带动HBM增长的核心点:增长的核心点:1)AI服务器催化服务器催化HBM需求爆发:需求爆发:据美光公司测算,相较于传统服务器,AI服务器中的DRAM需求量提升了8倍;2)单个)单个GPU的的HBM数量增加:数量增加:例如英伟达的H100用6个HBM,B1
30、00则用到8个HBM;3)HBM升级迭代,堆叠层数以及容量均有增加升级迭代,堆叠层数以及容量均有增加:例如B100采用的HBM3E有8层堆叠,单个容量达到24GB,B200使用12层堆叠HBM,容量达到36GB。资料来源:集邦咨询,华鑫证券研究中国企业陆续推出中国企业陆续推出AIAI大模型,国内大模型,国内HBMHBM打开成长空间打开成长空间。据统计,自3月16日百度率先公布“文心一言”以来,国内已有超过30项大模型产品亮相。AI大语言模型趋势带来的HBM需求高峰使得HBM供不应求。2023-2024中国人工智能计算力发展评估报告指出,中国AI算力市场规模正在快速成长扩大,2023年中国AI服
31、务器市场规模将达91亿美元,同比增长82.5%;智能算力规模预计达到414.1EFLOPS(每秒百亿亿次浮点运算),同比增长59.3%;2022-2027年期间,年复合增长率预计达33.9%。国内国内HBM存在供需缺口,国产替代从存在供需缺口,国产替代从0到到1。随着美国将限制HBM芯片对华出口,这种情况叠加HBM供不应求使得国内厂商购买到HBM的可能性大大下降,企业将转向国内HBM厂商,未来中国HBM市场空间广阔。根据IDC的数据,2022年上半年到2023年上半年,中国AI加速卡出货约109万张,英伟达市场份额为85%,华为市占率为10%,百度市占率为2%、寒武纪和燧原科技均为1%。随着国
32、内HBM从0到1实现突破后,市占约15%的国产算力芯片厂商将会逐步切换为国产HBM,替代空间广阔。英伟达,85%华为昇腾,10%百度,2%寒武纪,1%燧原科技,1%其他,1%图表:2023年中国AI加速卡市场份额2.4 AI2.4 AI需求强劲驱动,需求强劲驱动,HBMHBM量价齐升量价齐升诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 08001,0001,2002020202120222023E2024E2025E2026E2027E智能算力(基于FP16计算)EFLOPS图表:中国智能算力规模及预测资料来源:2023-2024中国人工智能计算力发展评估报告
33、,IDC,快科技,华鑫证券研究767.127029.5339857.9305,00010,00015,00020,00025,00030,00035,00040,00045,00020222024E2030E市场规模(百万美元)百万美元DRAMDRAM价格进入涨价周期,价格进入涨价周期,HBMHBM附加值水涨船高。附加值水涨船高。DRAM市场经历了2022年平均销售单价的下滑后,三星在2023年Q4大幅减产,库存压力改善后DRAM出货拉升带动价格从2023年9月中旬开始持续上涨,2024年Q1投片量开始回升,产能利用率达到80%左右,下半年是旺季,需求预期将较上半年明显增加,产能会持续提升至Q
34、4。而HBM此前受ChatGPT的拉动同时受限产能不足,HBM价格一路上涨,与性能最高的DRAM相比,HBM3的价格上涨了五倍,预计2024年HBM价格还会再上涨5-10%。HBM呈现量价齐升的态势,SEMI预计2024年市场规模达70亿美元,2030年达400亿美元,2022-2030年CAGR达63.85%。2.4 AI2.4 AI需求强劲驱动,需求强劲驱动,HBMHBM量价齐升量价齐升诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 17CAGR=63.85%图表:2022-2030年HBM市场规模资料来源:Wind,SEMI,华鑫证券研究图表:DRAM价格示意图1.201.30
35、1.401.501.601.701.801.9024/6/2124/6/1224/6/324/5/2424/5/1624/5/824/4/2924/4/1924/4/1124/4/124/3/2224/3/1424/3/624/2/2724/2/1924/2/524/1/2624/1/1824/1/1024/1/223/12/2223/12/1423/12/623/11/2823/11/2023/11/1023/11/223/10/2523/10/1723/10/923/9/2823/9/2023/9/1223/9/423/8/2523/8/1723/8/923/8/123/7/2423/7/
36、14现货平均价:DRAM:DDR4(8Gb(512Mx16),3200Mbps)现货平均价:DRAM:DDR4(8Gb(1Gx8),3200Mbps)0 30 3 三大关键工艺占据产业链价值高地HBM的制造流程主要分为四步,其中涉及TSVTSV(硅通孔)、(硅通孔)、BumpingBumping(凸点制造)、(凸点制造)、StackingStacking(堆叠)三大关键工序(堆叠)三大关键工序。3.1 HBM3.1 HBM关键工艺涉及关键工艺涉及TSVTSV、凸点制造、堆叠、凸点制造、堆叠诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 19资料来源:SK海力士,华鑫证券研究图表:HB
37、M制造流程示意图TSVTSV是是HBMHBM生产流程中最核心的工艺。生产流程中最核心的工艺。TSV(Through Silicon Via)为硅通孔技术,是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通,实现芯片之间互连的技术。TSV技术允许在硅晶圆内部创建垂直互连,这是实现多层DRAM芯片堆叠的基础。它通过垂直互连减小互连长度,减小信号延迟,降低电容、电感,实现芯片间的低功耗、高速通讯,增加带宽和实现器件集成的小型化。TSVTSV也是价值量占比最高的环节。也是价值量占比最高的环节。以4颗5mmx7mm的存储芯片堆叠在一颗逻辑芯片上的HBM结构为例,假设薄晶圆处理良率和TSV形成的良率为98
38、%,TSV工艺的成本约占整体封装成本的30%,是其中占比最大的环节。3.2 TSV3.2 TSV:刻蚀成本近一半:刻蚀成本近一半诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 20资料来源:Techinsights,3DInCites,华鑫证券研究图表:TSV示意图图表:3D封装成本占比TSV形成,18%TSV露出,12%前道,20%后道,20%组装,15%晶圆凸点,3%测试,1%TSV形成损失,7%组装损失,4%TSV制造的主要工艺流程依次为:深反应离子刻蚀(DRIE)法形成通孔;使用化学气相沉积的方法沉积制作绝缘层、使用物理气相沉积的方法沉积制作阻挡层和种子层;选择一种电镀方法在
39、盲孔中进行铜填充;使用化学和机械抛光(CMP)法去除多余的铜。而一旦完成了铜填充,则需要对晶圆进行减薄;最后是进行晶圆键合。对应TSV生产流程,会涉及到深孔刻蚀、PVD、CVD、铜填充、CMP等设备和电子特气、靶材、前驱体、电镀液、添加剂、抛光液、抛光垫等材料。我国先进封装设备国产化率整体低于15%,TSV深硅刻蚀、TSV电镀设备、薄膜沉积等制程设备几乎都进口自海外。3.2 TSV3.2 TSV:刻蚀成本近一半:刻蚀成本近一半诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 21资料来源:半导体材料与工艺,TSV关键工艺设备特点及国产化展望,中科大微纳研究与创造中心,今日光电,三维集成
40、中的TSV技术,江西国材科技,上海交通大学,立鼎产业研究院,华鑫证券研究图表:一种典型的TSV中介层制造工艺流程图表:TSV工艺设备与材料步骤工艺作用设备设备标的材料材料标的TSV刻蚀深孔刻蚀使用深反应离子刻蚀(DRIE)法形成通孔,保证 TSV 通孔垂直度深孔刻蚀设备北方华创中微公司电子特气华特气体金宏气体TSV侧壁绝缘层沉积CVD绝缘层用于实现硅村底与孔内传输通道的绝缘,防止 TSV通孔之间漏电和串扰CVD设备拓荆科技前驱体雅克科技扩散阻挡层、种子层沉积PVD防止铜原子在温度 400 下的退火过程的 TSV 中扩散PVD设备拓荆科技靶材江丰电子有研新材TSV电镀填充铜填充穿透硅基片形成电导
41、通 电镀填充设备 盛美上海电镀液、添加剂上海新阳强力新材CMP平坦化化学机械抛光对晶圆减薄抛光以露出硅孔底部的铜减薄抛光设备 华海清科抛光液、抛光垫鼎龙股份安集科技刻蚀,44%电镀填充,25%减薄,24%绝缘,4%临时键合,3%其中,其中,TSVTSV刻蚀在刻蚀在TSVTSV成本中占比最大,达成本中占比最大,达44%44%。TSV刻蚀将形成高深宽比的盲孔结构,其形貌、尺寸甚至侧壁粗糙程度都将对后续工艺产生影响。为达到超高深宽比刻蚀(40:1),目前大都采用干法深反应离子刻蚀(DRIE)中的Bosch工艺进行制备。目前国外主流深硅刻蚀设备主要由美国应用材料、泛林半导体等设备厂商控制。近年来,国内
42、设备厂商实现突破,中微公司(可达到60:1)、北方华创等推出的等离子刻蚀机,均可实现高深宽比刻蚀,满足绝大多数生产工艺需求。3.2 TSV3.2 TSV:刻蚀成本近一半:刻蚀成本近一半诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 22资料来源:IME,立鼎产业研究院,上海交通大学,华鑫证券研究图表:普通电镀铜和TSV电镀铜的区别TSVTSV电镀填充是整个电镀填充是整个TSVTSV工艺里最核心、难度最大的工艺,约占工艺里最核心、难度最大的工艺,约占25%25%成本。成本。TSV电镀填充技术难度较大,会直接影响电学性能和可靠性。当采用普通电镀填充方法来填充深孔时,由于沉积速率的原因,会
43、在填充过程中形成空隙,实现无孔洞化和均匀化填充已经成为制约TSV发展的“瓶颈”问题。而TSV电镀填充,需要在电流密度和热处理温度、电镀时间、添加剂等的协同作用下,铜在顶部的沉积速率低于底部沉积速率,实现无缺陷的自下而上填充。目前电镀设备的主要供应商包括安美特、东京电子、Ebara等。电镀液的供应商包括陶氏、安美特等。国产替代空间广阔。图表:TSV成本结构Bumping(凸点制造)是在芯片上制作凸点,通过在芯片表面制作金属凸点提供芯片电气互连的“点”接口,广泛应用于FC、WLP、CSP、3D等先进封装。该工序需要先整体形成UBM层并用作电镀的导电层,然后再用光刻胶保护不需要电镀的地方。一旦电镀形
44、成了厚的凸点后,再除去光刻胶并刻蚀不需要的UBM,然后经回流形成凸点阵列。3.3 3.3 凸点制造:走向混合键合凸点制造:走向混合键合诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明PAGE 23资料来源:先艺电子,海力士,Rlab,未来半导体,华鑫证券研究图表:电镀凸点的形成工艺凸点间距推进至凸点间距推进至10m10m以下,走向混合键合以下,走向混合键合(Hybrid BondingHybrid Bonding)。)。凸点间距越小,意味着凸点密度增大,封装集成度越高,难度越来越大。目前凸点间距最小达40m;当间距40m时,采用基于热压键合(TCB)的连接技术;但当走向更小的凸点间距(10m以下)时,混合键合以细间距(20%2增持10%20%3中性-10%10%4卖出10%2中性-10%10%3回避-10%诚信、专业、稳健、高效请阅读本页重要免责声明PAGE 37