导语
一、行业定义及分类
（一）行业定义
封装技术是伴随集成电路发明应运而生的，主要功能是完成电源分配、信号分配、散热和物理保护。封装简而言之就是把晶圆厂（Foundry）生产出来的集成电路裸片（Die）放到一块起承载作用的基板上，用引线将Die上的集成电路与管脚互连，再把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。它可以起到保护芯片的作用，相当于是芯片的外壳，不仅能固定、密封芯片，还能增强其电热性能。因此，封装对CPU和其他大规模集成电路而言非常重要。
由于芯片的集成度和性能越来越高，传统的封装技术已经无法满足新一代芯片的封装要求，先进封装发展逐渐引起重视。先进封装和传统封装的区分，主要是看凸点间距的大小。较小的凸点间距意味着更多的I/O数，即更高的互连密度，这是许多高性能计算应用所必需的。通常，将先进半导体封装定义为凸点间距小于100 µm的封装技术。
如图1所示，随着芯片的制造节点不断缩小，封装尺寸和凸点间距也需要相应缩小。目前主流的倒装技术为回流焊，最小可实现40-50 μm左右的凸点间距。如若进一步缩小凸点间距会带来翘曲和精度问题，回流焊不再适用，而是转用热压键合（TCB）的方式。当凸点间距缩小至10 μm时，TCB工艺中会产生金属间化合物，导致导电性能下滑。为了在高集成度（凸点间距10 μm以内）的芯片封装中解决这些问题，混合键合技术正在得到越来越多的青睐。
图1 不同凸点间距（Bump pitch）对应的先进封装技术
如图2所示，混合键合技术是在介电材料之间嵌入金属触点，并使用热处理使Cu原子固态扩散将材料连接在一起，消除了焊接时遇到的桥接问题。Cu-Cu混合键合工艺是半导体行业中公认的技术，可以实现小于10 μm的凸点间距。
图2 混合键合技术和传统凸点技术对比
与传统凸点技术相比，混合键合有以下优势。首先，它实现了超细间距和小接点尺寸，有助于实现高I/O数。因为器件需要越来越多的连接来满足性能要求，这对现代半导体封装至关重要；其次，与通常依赖于底部填充材料的倒装焊不同，Cu-Cu混合键合无需进行底部填充，降低了寄生电容、电阻和电感及热阻；最后，Cu-Cu混合键合中减小了连接厚度，几乎消除了倒装芯片技术中10-30 μm厚度的焊球，为更紧凑、更高效的半导体封装开辟了新的可能性。
尽管混合键合有以上一些突出的优势，但与以前的基于凸块的互连相比，混合键合引入了一系列全新的技术和工艺挑战，包括严苛的洁净度控制、晶圆表面纳米级粗糙度控制、以及极高的对准精度控制。其中洁净度控制和晶圆表面轮廓控制主要与晶圆制造工艺和生产环境相关，而对准精度控制则主要依赖于键合设备的精密程度。
混合键合技术目前已成为晶圆制造业的共识，它对高端处理器（CPU、GPU）、高性能存储（DRAM、3D NAND、HBM）、图像传感器CIS等集成电路的多个重要领域的推动有重要影响。当然，一项工艺的实现离不开材料和设备的支持。为了实现混合键合工艺，晶圆厂必须要配备专门的混合键合设备。混合键合设备可以理解为是一台高精密的智能机械装备，它根据设定的程序，自动化的重复执行晶圆或芯片的拾取、移动、对准、键合操作。考虑到混合键合设备需要极致的高可靠性、高洁净度和高精度，因此混合键合设备的研发生产难度很大，这个领域具有较高的技术门槛和壁垒。
（二）行业分类
如图3所示，混合键合有两种类型，一种是晶圆到晶圆（Wafer to wafer: W2W），即两个制造好的晶圆直接键合到一起；另一种是芯片到晶圆（Die to wafer: D2W）键合，这种模式是将已经经过电性测试的良好芯片，一片片键合到另一片良率较好的晶圆上。
图3 W2W和D2W混合键合技术
W2W混合键合的对准和键合步骤是分开的。在W2W设备中，有一个单独的腔室（chamber）来执行对齐。一旦顶部和底部晶圆对齐，它们就会被移入键合室（bonding chamber，处于真空中），在那里施加一定压力将它们压在一起，大约20分钟后，形成初始预键合。等到后续退火后，能形成更牢固的键合。
W2W键合目前已经是一个成熟的工艺并且不是特别昂贵，在CMOS图像传感器、3DNAND等领域已经有广泛的应用。W2W键合的一个主要限制是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，从而导致良好芯片的浪费。
二、混合键合技术应用情况
在W2W混合键合领域，索尼和长江存储都有成熟的产业化应用，其中索尼在2016年首次正式披露其为三星旗舰手机Galaxy S7 Edge生产的IMX260图像传感器采用了W2W混合键合技术来将像素层堆叠于图像处理单元ISP上，从而提供更大的感光面积；长江存储于2018年正式披露的Xtacking架构将CMOS电路与NAND存储阵列分开制造，并通过W2W混合键合完成堆叠组装，这一创新性架构拥有更好的性能和更低的功耗，是3D NAND技术发展的重要里程碑。
在D2W混合键合领域，最有发言权的公司是台积电。如图4所示，系统集成芯片（System-on-Integrated-Chips, SoIC）是台积电自2018年率先提出的高密度三维异质异构集成技术。这一技术的核心想法是将不同功能、不同尺寸、不同节点的芯粒进行垂直堆叠，形成一个整合度极高的芯片系统。SoIC的关键特点是采用D2W混合键合来实现无凸点的垂直堆叠，同时在芯片上通过极微小和高密度的TSV来实现多层芯片间的互联。SoIC相比传统2.5D/3D封装技术，能够实现10倍以上的互联密度提升，同时具有更小的外形尺寸、更好的电源完整性和信号完整性以及更低功耗。
图4 台积电SoIC示意图（红色方块所示即为采用SoIC进行芯片的三维堆叠）
SoIC作为目前最先进的三维先进封装技术，已受到大厂的广泛关注。如图5所示，AMD作为第一个吃螃蟹的厂家，其在高性能CPU上提出的3D V-cache架构就是采用台积电SoIC平台进行生产制造，其中混合键合工艺被用来进行SRAM的三维堆叠，提升L3级缓存容量和带宽，从而大幅缩短CPU的响应时间。除了CPU产品，在GPU上，AMD也在持续和台积电合作，其最新发布的MI300系列同时搭配SoIC和CoWoS封装。紧随AMD，苹果也宣称其M5 CPU芯片将使用台积电SoIC技术。目前台积电SoIC月产能在6,000片左右，预计明年有望提升至1.4万片/月。
图5 AMD新一代CPU处理器采用基于混合键合的三维堆叠工艺
紧随台积电，三星、英特尔、SK海力士等国际晶圆代工大厂都在积极引入混合键合技术。在国外龙头的带动下，国内晶圆制造厂商也纷纷看到了混合键合技术的广大潜力和广阔应用前景，因此以中芯国际、长鑫存储、长江存储、武汉新芯为代表的国内Fab厂也在积极探索混合键合工艺，以希望在未来实现产业化突破。
三、混合键合设备市场及竞争格局情况
（一）市场规模
混合键合设备当前在3D NAND存储器、图像传感器CIS等领域已有成熟产业化应用，形式以W2W为主，未来随着3D封装工艺进入成熟期，使工艺成本更低、灵活性更高的D2W混合键合设备将成为市场主导。
根据Yole统计，W2W永久键合设备市场规模将从2020年的2.61亿美元增至2027年的5.07亿美元，CAGR约为16%。D2W混合键合设备市场规模将从2020年的600万美元增至2027年的2.32亿美元，CAGR达69%。
（二）竞争格局
混合键合设备主要被进口厂商垄断，国产替代空间广阔。
W2W混合键合设备的市场份额目前主要被奥地利厂商EVG、德国厂商SUSS、日本厂商东京电子TEL所占据，其中EVG是目前的行业龙头，其生产的W2W混合键合设备在多项指标上处于领先地位。国内布局W2W设备的厂商包括拓荆键科、华卓精科、青禾晶元、芯慧联芯等。
更先进的D2W混合键合设备，目前市场绝对龙头是荷兰厂商BESI，它在2016年就在和台积电共同开发键合设备，其开发的8800 CHAMEOultra plus设备能实现200 nm的键合精度和2,000的UPH，性能指标和可靠性都处于领先地位。目前该设备的主要客户是台积电和英特尔，已出货上百台。
国内布局D2W设备的厂商包括华封科技、艾科瑞思、拓荆键科、青禾晶元、芯慧联芯、武汉芯力科等。
四、混合键合设备行业发展趋势
D2W混合键合技术已成为晶圆制造业的共识，随着工艺的逐步稳定以及量产规模的逐步提高，产业界对混合键合设备的要求会越来越高。未来设备主要将在精度、吞吐量、稳定性等方面进行进一步提升。
（一）对准精度提高
混合键合的一个核心参数就是对准精度，这是芯片能否与晶圆紧密结合并形成电气连接的关键。根据研究测试结果表明，对于400 nm互连间距，对位精度需要控制在小于100 nm，才能在大规模生产时保证足够的良率。因此，为了满足未来3D-SOC设计的需求，对下一代晶圆混合键合设备的对位精度提出了更高的要求。
（二）吞吐量提升
吞吐量是混合键合设备的另一核心指标，它影响整个的生产效率。目前行业内最先进的D2W混合键合设备能实现2,000的UPH，这个指标已成为行业的一个标杆。尽管在纳米级别的对位精度上进一步提升键合速度具有很大的挑战，但也是未来设备进一步迭代的发展趋势。
（三）稳定性的提升
目前D2W混合键合设备多采用逐片键合的方式，将小的芯片Die逐一单独键合到目标晶圆上。在多次重复的操作过程中，对机械设备的稳定性有极高的要求，因为设备的不稳定将直接导致生产良率的下降和效率的降低。因此未来混合键合设备在更新迭代的过程中，也会着重考虑提升其可靠性和稳定性。
五、结语
混合键合技术作为后摩尔时代的关键技术，有望成为下一代芯片架构的基石，持续赋能算力革命。尽管国内在这一领域的应用，与国际龙头（如台积电、Intel等）仍有差距，但近年来国内在设备、材料、工艺和产业链协同方面正在不断形成新的突破，有望逐步构建自主可控的混合键合技术生态。未来随着这一进程的不断推进，国产厂商有望能迎来较大的发展窗口期，并且也会催生一系列极具价值的产业投资机遇。
供 稿 | 投资发展部
编 审 | 综合管理部