半导体键合设备行业深度：先进封装高密度互联推动键合技术发展，国产设备持续突破

2025-03-23ASPCMS社区 - fjmyhfvclm

1 ️半导体封装技术不断发展，键合种类多元

️键合主要作用为将两片晶圆进行结合，分类标准多样

⚫ ️键合（Bonding）是通过物理或化学的方法将两片表面光滑且洁净的晶圆贴合在一起，以辅助半导体制造工艺或者形成具有特定功能的异质复合晶圆。键合技术有很多种，通常根据晶圆的目标种类可划分为️晶圆-晶圆键合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圆键合（Die-to-Wafer，D2W）；根据键合完成后是否需要解键合，又可分为️临时键合（Temporary Bonding）和永久键合（Permanant Bonding）；根据待键合晶圆间是否引入辅助界面夹层，还可分为️直接键合、间接键合、混合键合（Hybrid Bonding）等；根据传统和先进与否，传统方法包括️引线键合（Wire Bonding），先进方法采用️倒装芯片键合（Flip Chip Bonding）、混合键合等。

2 ️传统封装方式主要为引线键合，实现电气互联

️传统封装依靠引线实现电连接，可分为通孔插装和表面贴装类

⚫ ️传统封装需要依靠引线将晶圆与外界产生电气连接。将晶圆切割为晶粒后，使晶粒贴合到相应的基板架上，再利用引线将晶片的接合焊盘与基板引脚相连，实现电气连接，最后用外壳加以保护。

⚫ ️传统封装大致可以分为通孔插装类封装以及表面贴装类封装。20世纪70年代人们通常采用双列直插式封装（DIP）或锯齿型单列式封装（ZIP）等通孔型技术，即将引线插入到印刷电路板（PCB）的安装孔中；后来，随着引脚数量的不断增加以及PCB设计的日趋复杂，通孔插装技术的局限性也日益凸显，薄型小尺寸封装（TSOP）、四方扁平封装（QFP）和J形引线小外形封装（SOJ）等表面贴装型技术陆续问世。

️传统封装依靠引线实现电连接，可分为通孔插装和表面贴装类

⚫ ️引线键合根据键合能量使用的不同可以分为热压键合法、超声键合法和热超声键合法。（1）热压键合法：利用微电弧使键合丝的端头熔化成️球状，通过送丝压头压焊在引线端子上形成第一键合点；而后送丝压头提升移动，在布线板对应的导体布线端子上形成第二键合点，完成引线连接过程。️（2）超声键合法：超声键合法主要应用于铝丝的引线连接，超声波能量被铝丝中的位错选择性吸收，使铝丝在非常低的外力作用下可处于塑性变形状态，铝蒸镀膜表面上形成的氧化膜被破坏，露出清洁的金属表面，便于键合。 ️（3）热超声键合法：在超声键合机中引入加热器辅助加热，键合工具采用送丝压头，并进行超声振动，具有更高的效率和更广泛的用途，但是工艺过程较复杂。

️引线键合机海外K&S、ASMPT为龙头，CR2约80%

⚫ ️受下游需求影响及我国设备商国产替代加速，2024年我国引线键合机进口市场空间约6.18亿美元，仍显著低于2025年高峰期进口市场空间的15.9亿美元。进口引线键合机包括金铜线键合机和铝线键合机。其中铝线键合机数量占比约为10~15%，约3000-4000台，单台价值量约为25万美元，市场空间约为40-50亿元人民币；金铜线键合机数量占比约为85~90%，单台价值量较低，约为5-6万美元，市场空间约80亿元人民币左右。

⚫ ️海外K&S（库力索法）、ASM为半导体键合机龙头，2025年CR2约80%。铝线键合机为K&S在2010年收购的美国公司OE业务，键合机本身也属于焊接，符合K&S的生产文化，2025年之前汽车电子、功率器件，尤其是汽车电子市场K&S市占率高达90%， K&S的Asterion和PowerFusion产品竞争力较强；2025年下半年以来浮现出了竞争对手，如ASMPT、奥特维等，K&S在逐步减少功率器件IGBT市场的投入，将重心逐步放至汽车电子。国外龙头单台售价25万美金/台（对应人民币约180万元），国产设备130万人民币左右。

3 ️先进封装快速发展，热压键合、混合键合为未来趋势

️后摩尔时代下封装追求更高的传输速度、更小的芯片尺寸

⚫ ️封装逐步朝着高速信号传输、堆叠、小型化、低成本、高可靠性、散热等方向发展。（1）高速信号运输：人工智能、5G等技术在提高芯片速度的同时还需要提升半导体封装技术，从而提高传输速度；️（2）堆叠：过去一个封装外壳内仅包含一个芯片，而如今可采用多芯片封装（MCP）和系统级封装（SiP）等技术，在一个封装外壳内堆叠多个芯片；️（3）小型化：随着半导体产品逐渐被用于移动甚至可穿戴产品，小型化成为一项重要需求。

️键合方式逐步从引线键合、倒装键合、热压键合再到混合键合

⚫ ️封装形式演变下，键合技术追求更小的互联距离以实现更快的传输速度。封装技术经历了从最初通过引线框架到倒装（FC）、热压粘合（TCP）、扇出封装（Fan-out）、混合封装（Hybrid Bonding）的演变，以集成更多的I/O、更薄的厚度，以承载更多复杂的芯片功能和适应更轻薄的移动设备。在最新的混合键合技术下，键合的精度从5-10/mm2提升到10k+/mm2，精度从20-10um提升至0.5-0.1um，与此同时，能量/Bit则进一步缩小至0.05pJ/Bit。

️键合方式逐步从引线键合、倒装键合、热压键合再到混合键合

⚫ ️为了使芯片尺寸更小，封装尺寸和凸点间距都需要相应地缩小；10μm的凸点间距提供的I/O数量大约是200μm凸点间距的400倍。随着电子器件朝着更轻薄、更微型和更高性能的方向发展，凸点间距已经推进到20μm，并且一些行业巨头已经实现了小于10μm的凸点间距；10μm凸点间距所提供的I/O数量大约是200μm凸点间距的400倍。

⚫ ️50-40μm凸点间距可通过倒装键合实现，40-10μm凸点间距需用热压键合（TCB），而10μm以下凸点间距则需采用混合键合技术。（1）倒装键合的回流焊适用于40-50μm凸点间距，但随着凸点间距缩小会导致翘曲和精度问题，使回流焊不再适用。（2）热压键合40-10μm凸点间距中能够胜任，但当凸点间距达10μm时，TCB可能产生金属间化合物，影响导电性。（3）10μm凸点间距以下的高集成度封装将全面转向混合键合技术。

️倒装键合取代引线键合应用于CPU、GPU与DRAM封装

⚫ ️倒装键合是通过在芯片顶部形成的凸点来实现芯片与基板间的电气和机械连接。与传统引线键合一样，倒片封装技术是一种实现芯片与基板电气连接的互连技术。相较于引线键合，倒装键合️①拥有更多的连接密度，引线键合只能围绕芯片四周进行引线连接，对于可进行电气连接的输入/输出（I/O）引脚的数量和位置有限制，而倒装键合可以在整个芯片正面植球，可以显著提高连接密度； ️②信号传输路径更短：倒装键合直接利用凸块(Bump)进行电信号传输,传输路径远短于引线键合，可以带来更快的计算传输能力。因此在先进封装领域，倒装键合技术凭借其优越的电气性能和空间利用率成为主流键合技术，️被广泛应用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封装。

️热压键合适用于超细间距、高密度互联封装

⚫ ️为解决芯片凸点间距缩小时倒装键合回流焊步骤中出现的翘曲和精度问题，当凸点间距达40μm以下时，TCB（Thermal Compression Bonding）热压键合成为主流。TCB键合利用高精度相机完成待键合芯片间的对准，并通过控制热压头的压力与位移接触基座，施加压力并加热以实现芯片间的键合。

⚫ ️TCB从芯片顶部加热，仅芯片和C4（可控熔塌芯片互连， Controlled Collapse Chip Connection ）焊料会升温，最大限度减少基板、裸片翘曲倾斜问题。压力确保均匀粘合，无间隙变化或倾斜。TCB技术在相同I/O间距下实现更好的电气特性，并允许I/O间距继续缩小，可封装更薄的芯片，因此多叠层HBM3通常采用TCB。

️热压键合市场主要由海外企业垄断，CR5约88%

⚫ ️根据QY Research数据，2023年全球热压键合机（TCB）市场销售额达到了1.04亿美元，预计到2030年将达到2.65亿美元，年复合增长率为14.5%。随着半导体技术向更小尺寸、更高集成度方向发展，热压键合机作为先进封装技术的核心设备，需求显著增加。特别是在HBM3应用，其多层芯片堆叠技术依赖热压键合工艺，推动了热压键合机市场的快速增长。

⚫ ️全球热压键合机市场主要由海外企业垄断，主要参与者包括ASMPT、K&S、BESI、Shibaura和SET，前五大制造商的市场份额（CR5）约为88%。由ASMPT官网，其热压键合机包括FIREBIRD TCB系列，主要用于异构集成的芯片2D、2.5D及3D封装，已批量交付超过250台，是全球TCB热压键合工艺设备的龙头厂商。同时，国产厂商如华卓精科、唐人制造等亦积极布局该领域，国产厂商热压键合设备市场份额有望逐步扩大。

️混合键合仅需要铜触点，能够实现更高密度互联

⚫ ️混合键合是因其键合界面同时包含金属和介质或聚合物( 如Cu/SiO2, Cu/SiCN等）两种材料，通过堆叠接触方式将来自不同工艺的晶圆结合在一起实现电气互联。混合键合不需要金属引线或微凸点，仅通过铜触点实现短距离电气互连，可在芯片间有望实现更短的互连距离、更高密度、更低成本及更高性能。

⚫ ️典型的Cu/SiO2 混合键合主要包括三个关键工艺步骤。（1）键合前预处理：晶圆需经过化学机械抛光/ 平坦化（CMP）和表面活化及清洗处理，实现平整洁净且亲水性表面；️（2）两片晶圆预对准键合：两片晶圆键合前进行预对准，并在室温下紧密贴合后介质SiO2 上的悬挂键在晶圆间实现桥连，形成SiO2 -SiO2 间的熔融键合，此时，金属Cu 触点间存在物理接触或凹陷缝隙（dishing），未实现完全的金属间键合；️（3）键合后热退火处理：通过后续热退火处理促进了晶圆间介质SiO2 反应和金属Cu 的互扩散从而形成永久键合。

️混合键合仅需要铜触点，能够实现更高密度互联

⚫ ️混合键合逻辑/存储芯片在互联密度、速度、带宽密度、能耗以及散热效率方面均优于传统热压键合。

⚫ ️混合键合逻辑芯片相较于热压键合芯片，在互联密度、速度、带宽密度方面表现更优，同时能耗更低。通过对比AMD W2W混合键合芯片与采用热压键的MI300，混合键合芯片在互联密度、速度、带宽密度及能耗均优于MI300。（1）互连密度较热压键合技术提高了15倍，（2）速度提升了11.9倍，（3）带宽密度提升191倍，（4）能耗降低20倍。

⚫ ️混合键合HBM芯片则具有低热阻、高信号完整性、低能耗以及高空间利用率等优势。采用混合键合技术的HBM芯片能够实现：（1）降低20%的堆叠热阻，从而显著提升散热效率；（2）提高20%的信号完整性，减少信号传输过程中的损耗和干扰；（3）降低17%的动态功耗，进而提高整体能效；（4）减少87%的TSV互连面积需求，有效提升空间利用率。

️混合键合仅需要铜触点，能够实现更高密度互联

⚫ ️混合键合又可以分为晶圆到晶圆 (W2W) 和芯片到晶圆 (D2W) 。

⚫ ️（1）W2W 主要适用于面积较小的芯片：W2W良率更高的原因在于对准和键合步骤是分开的，且颗粒更少，更加干净，但无法执行晶圆分类来选择已知良好的芯片，这会导致将有缺陷的芯片粘合到良好的芯片上。

⚫ ️（2）D2W主要适用于大芯片，率先实现产业化：能够测试和键合已知良好芯片的能力，但容易形成污染。

️混合键合仅需要铜触点，能够实现更高密度互联

️混合键合的工艺难点主要在于光滑度、清洁度和对准精度

⚫ ️混合键合为了实现高质量的键合，对表面光滑度、清洁度和粘合对准精度有非常严格的要求。

⚫ ️（1）清洁度：由于混合键合涉及将两个非常光滑且平坦的表面齐平地键合在一起，因此键合界面对任何颗粒的存在都非常敏感；

⚫ ️（2）光滑度：HB 界面同样对任何类型的形貌都敏感，这会产生空洞和无效的键合。一般认为电介质的表面粗糙度阈值是 0.5nm，铜焊盘的表面粗糙度阈值是 1nm，为了达到这种平滑度，需要CMP；

⚫ ️（3）精度： 键合精度的极限可以达到 1 μm 以下。

️先进HBM/NAND将陆续全面导入混合键合

⚫ ️HBM3普遍使用热压键合技术，韩系大厂预计从HBM4开始导入混合键合。HBM3中，美光和三星均采用非导电膜热压键合，海力士则采用了MR-MUF（批量回流焊和模塑填充）技术。由于HBM4+对堆叠层高、接触点、散热等要求更高，韩系三巨头预计从HBM4开始用混合键合全面替代其他键合方式。

⚫ ️HBM外，三星的第10代V10 NAND将采用中国长江存储的专利技术，尤其是其混合键合技术。长江存储自2016年起开始研发混合键合技术，并于2018年推出Xtacking技术，此后持续进行技术迭代与升级。2025年，长江存储已授权三星利用其Xtacking架构专利来制造V10 NAND（420-430层NAND）。

⚫ ️三星V10 NAND选择与长江存储合作主要系无法绕开长存专利布局及长存方案更为成熟。（1）无法绕开长江存储、Xperi、台积电三方专利，长江存储Xtacking专利超过1276件，其中56%涉及3D堆叠工艺（截至2025年2月）；（2）长江存储方案更成熟，我们预计可以缩短三星V10 NAND 上市周期18-24个月，大幅缓解三星友商300层+NAND的追赶压力。

️长存Xtacking架构是400层+NAND最优解，其中核心是混合键合

⚫ ️Xtacking能够显著缓解多堆叠NAND的外围电路占芯片面积，提高存储密度。传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，随着堆叠层数增加，外围电路面积占比可能超过50%，导致芯片存储密度急剧下降。而Xtacking技术通过将存储单元和外围电路分别放在两片晶圆上，能够节省外围电路占芯片面积。

⚫ ️Xtacking技术的核心在于将存储单元和外围电路分别加工在两片独立的晶圆上，然后通过数百万根垂直互联通道（VIA）将二者键合（混合键合）。

⚫ ️Xtacking能够显著提升芯片的传输速度、存储密度及生产效率：（1）高I/O速度，X-tacking技术将NAND的I/O速度提升至3.0Gbps；（2）高存储密度，通过优化外围电路的布局，X-tacking技术显著提高了芯片的存储密度；（3）高效生产，模块化的设计使得存储单元和外围电路可以并行加工，大幅提升了生产效率。

️先进芯片固晶步骤激增，2030年混合键合设备需求将达28亿欧元

⚫ ️随着芯片复杂度的提升，固晶步骤激增，更高性能键合设备价格是传统倒装设备的3-5倍。以AMD的EPYC处理器为例，从2017年推出的第一代霄龙处理器到2023年发布的第四代产品，（1）生产过程中所需的键合步骤从4次增加到超过50次。（2）键合技术从倒装键合迭代至混合键合+倒装键合，BESI为此开发的8800 Ultra混合键合设备，其单价比倒装键合机贵3-5倍。

⚫ ️AI计算需求激增叠加存储器陆续导入混合键合工艺，2030年混合键合设备总需求将达28亿欧元，约200亿人民币。Besi预计混合键合工艺将于2025年逐步导入存储器生产，并在2027年左右应用于手机处理芯片。2030年前混合键合设备累计需求预计将超过1400套，对应设备价值量约为28亿欧元。目前混合键合设备的主要供应商包括奥地利EVG、德国SUSS、荷兰Besi和中国香港ASMPT等。

️混合键合设备仍由国外企业主导，国产替代有望加速

⚫ ️全球混合键合设备市场主要由国际龙头企业主导，其中BESI是该领域的龙头，市占率高达67%。其设备广泛应用于3D IC、MEMS和先进封装等领域，尤其在高端市场具有显著优势。此外，奥地利EVG、德国SUSS也是该设备主要供应商。与此同时，国内混合键合设备市场也在逐步崛起。国内拓荆科技、迈为股份等均布局混合键合设备。国产厂商逐步突破关键技术，有望在未来几年内提升市场份额。

⚫ ️我国拓荆科技、迈为股份、百傲化学（芯慧联）等正在积极布局混合键合设备。（1）拓荆科技推出W2W键合产品（Dione 300）和D2W键合表面预处理产品（Pollux），其W2W/D2W混合键合前表面预处理及键合产品均获得重复订单。（2）迈为股份则是国内第一家混合键合设备做到正负100nm精度的公司，接下来的目标是正负50nm；对标国际龙头EVG和Besi。（3）百傲化学（芯慧联）2台D2W和W2W混合键合设备已经出货。

4 ️先进封装晶圆变薄，临时键合 & 解键合为阶段所需工艺

️晶圆级堆叠封装技术催生对超薄晶圆及临时键合工艺需求

⚫ ️晶圆减薄工艺成为先进封装的核心工艺，超薄晶圆的诸多优点直接推动3D堆叠层数提高。在一些先进的封装应用中，需要将晶圆减薄至10μm以下。①增强散热：超薄晶圆可以有效降低热阻，改善先进封装中晶圆多层堆叠造成的积热问题。️②增强电学性能：采用超薄晶圆使得元器件间互连长度缩短，从而提高信号的传输速率、减少寄生功耗、提升信噪比。️③提高集成度：在三维集成硅通孔TSV技术中采用超薄晶圆，在保证深宽比的同时可以制造节距更小、密度更高的硅通孔。️④降低成本：对超薄晶圆进行刻蚀、钻孔、钝化、电镀等后续工艺，其加工速度和产量都能大大提高，同时有效降低材料使用成本。

⚫ ️晶圆减薄工艺需要引入临时键合以提供机械支撑。当硅片被减薄到100μm以下时，晶圆在工艺中产生残余应力、机械强度降低，加之受到自身质量的影响，会表现出显著的柔性和脆性，很容易翘曲、弯折，甚至破裂。因此对于超薄晶圆，必须使用外部支撑的方法对其进行保护，便于在超薄晶圆上进行后续工艺并提升芯片制造中的良率、加工精度和封装精度，由此催生对临时键合/解键合工艺的需求。在背面减薄前，采用临时键合的方式将晶圆转移到晶圆载板上为其提供强度支撑，完成背面减薄及其他背面工艺后进行解键合。

️临时键合工艺可分为临时热压键合和UV固化键合

⚫ ️临时键合一般有临时热压键合和UV固化两种方式。临时键合首先要将临时键合胶通过旋涂或喷涂方式在器件晶圆和载片表面均匀涂布，随后依靠热压临时键合或UV固化临时键合方式，使载片和晶圆键合牢固。️（1）热压临时键合：在高温、真空的键合室内对叠放在一起的器件晶圆和载片施加一定的力使之达到良好的键合效果；️（2）UV固化临时键合：紫外光透过载片照射到键合胶表面发生反应，使载片和器件晶圆键合到一起。

️临时键合设备的兼容性与对准精度构成核心壁垒

⚫ ️临时键合设备主要由控制系统、上下片机构、旋涂工作台、翻转机械手、对准系统和UV固化工作台构成。控制系统控制设备运行时序；上下片机构完成晶圆（和载片）的装/卸载；旋涂工作台完成在器件晶圆和载片表面临时键合胶的涂覆，临时键合胶的均匀性和厚度会直接影响临时键合的效果；翻转机械手控制晶圆在不同工位上的传输和翻转；对准系统将载片和器件晶圆对准，再通过CCD图像系统和X、Y、θ 向运动机构实现扫描对准；对准完成后，在UV 固化工作台上由紫外光照射同时施加一定的压力，完成临时键合。

⚫ ️临时键合设备的核心技术壁垒和技术难点在于多材料/高低温适配性、高对准精度、机械应力控制等。①机械应力控制：防止超薄晶圆在处理中受到机械应力的影响导致翘曲或碎裂。️②高温适配性：临时键合材料通常需要加热进行固化或软化，设备需要能处理高温工艺。️③高对准精度：晶圆和载板必须精确对准以防止后续工艺中误差积累，在涉及多层级光刻工艺时对准精度的要求非常高，国际先进水平小于50nm。️④多工艺兼容性：临时键合设备必须能够兼容不同的工艺需求，例如不同键合材料、不同温度要求、不同晶圆厚度等。

️解键合工艺：激光解键合可实现高密度、大尺寸超薄晶圆剥离

⚫ ️根据解键合方式的不同，解键合主要分为机械剥离、湿化学浸泡、热滑移和激光解键合4种方法。机械解键合法是通过拉力作用分离载片和器件晶圆，碎片率较高；化学解键合法是通过溶剂溶解粘结剂，成本较低,但效率很低，不适合量产；热滑移解键合法是通过高温软化粘结剂，之后将器件晶圆与载片分离，粘结剂易在设备平台残留，影响后续产品工艺；️激光解键合法是激光透过玻璃对粘结剂层进行照射，产生热量使粘结剂分解或产生能量使化学键断键，是目前主要使用的解键合方式。

⚫ ️激光解键合技术有望满足高密度、大尺寸、超薄器件晶圆剥离的要求。激光解键合法能够穿过透明载板，仅在界面附近烧蚀几百纳米的响应层而不会对器件晶圆造成影响，在低于10N的脱粘力下就可以去除载板，大大降低了超薄晶圆碎片率，同时能够将聚焦激光束的焦平面精确控制在响应层界面的区域，都保证了激光束仅对光敏响应层选择性地烧蚀,从而降低超薄器件和承载晶圆的损伤风险。

️解键合设备：键合稳定性和解键合易清洁性之间的平衡

⚫ ️解键合设备主要由控制系统、上下片机构、激光解键合工作台、可翻转机械手、清洗工作台构成。控制系统控制设备运行时序；上下片机构完成晶圆（或载片）的装/卸载；翻转机械手完成晶圆（或载片）在不同工位上的传输和翻转；清洗工作台对解键合后的器件晶圆和载片清洗，去除表面粘结剂，随后载片即可用于下一轮临时键合。激光解键合工作台是键合设备的核心部分。

⚫ ️临时键合稳定性与解键合后残胶的易清洁性需要取得平衡。临时键合稳定的另一面是解键合和清除残胶更加麻烦，需要更长时间去除残胶，键合的稳定和解键合残胶的易清洁之间的平衡，还需要更长时间去解决。

⚫ ️光学解键合设备或将成为取代激光解键合设备的下一个方向：激光解键合工艺需要在玻璃载板上加入激光敏感的释放层作为临时键合材料，但清洗残胶将导致玻璃载板受损。光学解键合最大的特点就是不再使用激光释放层，而是在玻璃载板上加上一层永久光吸收反应层（CLAL），即可省去激光解键合中的旋涂工艺，也不再需要昂贵的IR或UV激光器，而是采用高照射强度的闪光灯，通过将光能转换为热能，溶解载板和晶圆之间的键合胶，从而保证脱胶且无残留。优点在于高良率、低成本、无残胶、无需旋涂工艺等。

️临时键合与解键合设备市场空间约1亿美金+，龙头集中

⚫ ️2025年临时键合/解键合设备市场价值1.13亿美元。根据YOLE数据，临时键合/解键合设备市场在2027年有望以7%的CAGR增长到1.76亿美元。薄晶圆临时键合广泛应用于MEMS、先进封装、CMOS等，其中MEMS市场最大，2019年占有约35%，先进封装是第二大市场，约为31%。在全球薄晶圆临时键合设备消费市场中，在中国销量的设备份额最大，约占据全球市场的三分之一；日本约占20%，剩下是欧洲和美国。