【編者按】本文由韋豪創(chuàng)芯 張迪 供稿，集微網(wǎng)經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。
隨著先進封裝在算力時代的重要性日益凸顯，鍵合設(shè)備成為不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。作為韋豪創(chuàng)芯本期月度思考的重要著眼點，本報告力圖對鍵合設(shè)備的發(fā)展情況進行梳理，為相關(guān)投資提供有益的參考意見。
一、晶圓鍵合
晶圓鍵合（Bonding）是將兩個或多個晶圓通過物理或化學(xué)方法緊密結(jié)合在一起的工藝。用以實現(xiàn)芯片連接、減小封裝尺寸、或者提高晶圓結(jié)構(gòu)強度，避免晶圓在后續(xù)加工中變形等各種用途。
后摩爾時代下，通過芯片制程線寬的縮小提升芯片性能的方式越來越困難，芯片設(shè)計端和生產(chǎn)制造端轉(zhuǎn)而通過將器件結(jié)構(gòu)從平面MOSFET改為FinFET/GAA等 “鰭” 狀立體結(jié)構(gòu)增加了柵極與溝道的接觸面積，提升對遷移電子的控制能力及減少漏電現(xiàn)象。在封裝集成方面進行Chiplet異構(gòu)集成封裝、CoWoS、HBM等2.5D/3D封裝形式提升互聯(lián)帶寬和集成密度，增強性能的同時能夠取得性價比。
先進封裝追求更高的傳輸速度、更小的芯片尺寸，作為先進封裝的核心技術(shù)，鍵合工藝經(jīng)歷了從最初通過引線框架到倒裝（FC）、熱壓粘合（TCP）、扇出封裝（Fan-out）、混合封裝（Hybrid Bonding）的演變，追求更快的互聯(lián)速度?？梢钥吹芥I合工藝的改進升級極大的推動了I/O接口密度的提升，也就大幅度提升了芯片的傳輸帶寬。
封裝形式發(fā)展
圖片來源：BESI、東吳證券研究所
各大廠商也將先進封裝視為關(guān)鍵技術(shù)不斷推進，例如臺積電推出了CoWoS、SoIC等，英特爾推出了EMIB、Foveros 和Co-EMIB等，三星也推出了FOPLP等2.5D/3D堆疊封裝技術(shù)，海力士、三星、美光等積極投入的HBM存儲芯片也同樣是采用的3D堆疊方式。封裝要求的不斷提高，先進封裝對鍵合工藝的要求也越來越高，如更高的鍵合強度、更好的平整度、更小的鍵合尺寸等。
二、不同的鍵合方式的應(yīng)用場景
① 無圖形片的鍵合
無圖形片的鍵合通常會采用臨時鍵合的方案，臨時鍵合一般有臨時熱壓鍵合和UV固化兩種方式。臨時鍵合首先要將臨時鍵合膠通過旋涂或噴涂方式在器件晶圓和載片表面均勻涂布，隨后依靠熱壓臨時鍵合或UV固化臨時鍵合方式，使載片和晶圓鍵合牢固。
3D堆疊層數(shù)的提高受限于堆疊后的厚度、散熱、以及后續(xù)的TSV工藝的適配性，晶圓減薄工藝成為先進封裝的核心工藝。在一些先進的封裝應(yīng)用中，需要將晶圓減薄至50μm以下，晶圓減薄工藝需要引入臨時鍵合、解鍵合以提供機械支撐。同時也有部分做碳化硅芯片的晶圓廠，考慮到碳化硅的易碎性，在進行研磨或減薄工藝之前，會通過臨時鍵合疊加一片同尺寸的硅片/玻璃圓片，之后進行研磨工藝，可以大幅降低碎片的風(fēng)險，之后再進行解鍵合。
② 有圖形片鍵合/IC芯片的鍵合
1）高帶寬存儲器（HBM），垂直堆疊多個DRAM，通過TSV銅連接，可顯著提升傳輸帶寬。HBM早期主要采用TC-NCF熱壓鍵合工藝，隨著堆疊層數(shù)的增加，對散熱要求越來越高，SK海力士在最新的HBM3E中率先使用改進的MR-MUF工藝，三星和美光仍以TC-NCF熱壓鍵合技術(shù)為主。在更高層數(shù)的HBM生產(chǎn)中各家預(yù)期將陸續(xù)引入混合鍵合工藝。
圖片來源：AMD、華安證券研究所
2）傳統(tǒng)3D NAND架構(gòu)中，外圍電路約占芯片面積的20~30%，隨著堆疊層數(shù)增加，外圍電路面積占比可能超過50%，導(dǎo)致芯片存儲密度急劇下降。而長江存儲Xtacking技術(shù)通過將存儲單元和外圍電路分別放在兩片晶圓上，然后通過垂直互聯(lián)通道將二者鍵合。能夠顯著緩解多堆疊NAND的外圍電路占芯片面積，提高存儲密度。
圖片來源：長江存儲、東吳證券研究所
3）采用同樣原理的還有CIS芯片，將CMOS感光單元與邏輯電路分別在不同的晶圓上制作，再將2片/3片晶圓鍵合連接起來，形成堆疊芯片，這種方式不僅提高了感光面積，提升圖像傳感器的靈敏度、分辨率等關(guān)鍵指標。還可以將CMOS、邏輯電路采用不同的制程工藝生產(chǎn)，提升效率，降低生產(chǎn)成本。
③ 按鍵合對象可劃分為晶圓-晶圓鍵合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圓鍵合（Die-to-Wafer，D2W）
圖片來源：EVG、華安證券研究所
1）芯片-晶圓鍵合（Die-to-Wafer，D2W）
C2W 鍵合是將單個芯片與整個晶圓進行鍵合。通常先在芯片和晶圓的表面制備相應(yīng)的鍵合層，然后通過施加一定的壓力、溫度和化學(xué)作用等，使芯片與晶圓上對應(yīng)的位置實現(xiàn)連接。
C2W 鍵合的靈活性高，可以根據(jù)具體需求選擇不同類型、不同功能的芯片與晶圓進行鍵合，適用于小批量、多品種的生產(chǎn)需求，能夠快速實現(xiàn)產(chǎn)品的定制化。同時由于是單個芯片與晶圓鍵合，即使某個芯片存在缺陷，也不會影響其他芯片的鍵合，只需更換有問題的芯片即可，提高了生產(chǎn)的良率和效率。
但要將單個芯片準確地鍵合到晶圓上的指定位置，需要高精度的對準技術(shù)，否則可能導(dǎo)致芯片與晶圓之間的電氣連接不良或機械結(jié)合不牢固。另一方面，逐個芯片進行鍵合，操作步驟較多，相比 W2W 鍵合方式，生產(chǎn)效率較低，因此在大規(guī)模生產(chǎn)時成本相對較高。
2）晶圓-晶圓鍵合（Wafer-to-Wafer，W2W）
W2W 鍵合是將兩片晶圓直接進行鍵合。首先對兩片晶圓的表面進行處理，使其具有良好的親水性或形成特定的鍵合層，然后將兩片晶圓精確對準并貼合在一起，在一定的工藝條件下實現(xiàn)晶圓之間的大面積鍵合。
W2W 鍵合的生產(chǎn)效率高，一次鍵合可以完成整個晶圓面的連接，相比 C2W 鍵合方式，大大減少了鍵合的次數(shù)和時間，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，能夠有效降低生產(chǎn)成本。同時對準精度相對容易控制，由于是兩片晶圓整體進行對準，相對于 C2W 鍵合中單個芯片的對準，更容易實現(xiàn)較高的對準精度，且鍵合后的一致性較好。
另一方面，靈活性不如C2W 鍵合，更適合同類芯片進行堆疊，如HBM芯片。缺陷影響范圍大，如果其中一片晶圓存在缺陷，那么在鍵合后整個晶圓的質(zhì)量都會受到影響，導(dǎo)致整片晶圓報廢的風(fēng)險較高，W2W 鍵合對晶圓的制造工藝和質(zhì)量控制要求更為嚴格。
三、先進封裝晶圓鍵合設(shè)備企業(yè)
根據(jù)YOLE數(shù)據(jù)，臨時鍵合/解鍵合設(shè)備市場在2027年有望以7%的CAGR增長到1.76億美元，目前臨時鍵合設(shè)備市場規(guī)模較小，有待下游生產(chǎn)廠商量產(chǎn)技術(shù)突破。鍵合設(shè)備頭部廠商BESI預(yù)計混合鍵合工藝將于2025年逐步導(dǎo)入存儲器生產(chǎn)，并在2027年左右應(yīng)用于手機處理芯片。2030年前混合鍵合設(shè)備累計需求預(yù)計將超過1400套，對應(yīng)設(shè)備價值量約為28億歐元。
國內(nèi)鍵合設(shè)備廠商
在鍵合設(shè)備領(lǐng)域，全球主要的設(shè)備供應(yīng)商包括BESI、K&S(KulickeandSoffa)、ASMPT、EVG和SUSS等，混合鍵合設(shè)備以荷蘭BESI，臨時鍵合與臨時解鍵合設(shè)備以奧地利EVG、德國SUSS等企業(yè)占據(jù)主要市場地位，國產(chǎn)替代處于剛起步階段。
國內(nèi)拓荊科技、芯源微、青禾晶元、吾拾微、芯慧聯(lián)等在晶圓鍵合設(shè)備上布局較早：
拓荊科技的鍵合機系列包括Dione 300和Dione 300F，主要用于3D IC、先進封裝和CIS（圖像傳感器）等領(lǐng)域，該系列設(shè)備可實現(xiàn)在常溫下多材料表面的晶圓鍵合。2023年首臺晶圓對晶圓鍵合產(chǎn)品Dione 300順利通過客戶驗證，并獲得復(fù)購訂單。混合鍵合系列產(chǎn)品還包括芯片對晶圓鍵合表面預(yù)處理產(chǎn)品以及鍵合套準精度量測產(chǎn)品。
芯源微推出了臨時鍵合機KS-C300-TB及激光/機械解鍵合機KS-S300-DBL/DBM，主要針對 Chiplet 技術(shù)解決方案，兼容國內(nèi)外主流膠材工藝，能夠適配60μm 及以上超大膜厚涂膠需求，可實現(xiàn)高對準精度、高真空度環(huán)境、高溫高壓力鍵合工藝，鍵合后產(chǎn)品TTV 及翹曲度表現(xiàn)優(yōu)異，適配開發(fā)的機械、激光解鍵合技術(shù)。
青禾晶元近期發(fā)布了全球首臺獨立研發(fā)C2W&W2W雙模式混合鍵合設(shè)備SAB 82CWW系列，可用于存儲器、Micro-LED顯示、CMOS圖像傳感器、光電集成等領(lǐng)域。該產(chǎn)品采用靈活的模塊化設(shè)計，將C2W和W2W兩種技術(shù)路線集成到一臺鍵合設(shè)備里面，同時可以兼容8寸、12寸晶圓鍵合，SAB 82CWW系列提供片間同軸和紅外穿透兩種對準方式，應(yīng)對不同尺寸和材質(zhì)的芯片，實現(xiàn)對準精度±30nm、鍵合精度±100nm的，C2W單鍵合頭UPH最高可達1000片/小時。通過創(chuàng)新鍵合技術(shù)，青禾晶元的鍵合設(shè)備能夠滿足Micro-LED對亞微米級對準精度和高可靠性的需求。同時青禾晶元還布局了臨時鍵合、解鍵合等設(shè)備，也可用于自研的異質(zhì)碳化硅襯底的生產(chǎn)中。
（青禾晶元推出的SAB 82CWW系列混合鍵合設(shè)備）
芯慧聯(lián)開發(fā)的3DSIXI晶圓混合鍵合設(shè)備，適用于12寸晶圓熔融鍵合及混合鍵合，可集成對準精度檢測和氣泡缺陷檢測，適用于CIS、3DNAND、DRAM、先進封裝。開發(fā)的晶圓熔融鍵合設(shè)備，可用于硅、玻璃的基板材料，適用于BSI、半導(dǎo)體光學(xué)領(lǐng)域。
吾拾微推出了WSBOND-1000 系列晶圓鍵合機，是國內(nèi)較早開始研發(fā)鍵合設(shè)備的公司，已開發(fā)了臨時鍵合、解鍵合、以及永久鍵合設(shè)備，目前主要應(yīng)用在碳化硅、無圖形片的鍵合。吾拾微的鍵合工藝較為靈活，支持多種鍵合工藝，如熱壓鍵合、共晶鍵合、陽極鍵合等，可以根據(jù)不同的鍵合材料和工藝要求，靈活選擇合適的鍵合方式。
（吾拾微電子推出的12英寸晶圓永久鍵合設(shè)備WPB-Heracles300）
也有業(yè)內(nèi)的鍵合設(shè)備廠商反饋，目前產(chǎn)線購買使用的鍵合設(shè)備，很少有同樣型號的復(fù)購，一部分原因是國內(nèi)廠商尚未跑通工藝，同時鍵合設(shè)備面向的領(lǐng)域也不一樣，HBM、CIS、CoWoS等不同類型的堆疊形式，各家客戶也都在摸索適合自己的鍵合方式，所走路線會有所不同，也就注定了現(xiàn)階段，鍵合設(shè)備偏向定制化，小批量的模式，鍵合設(shè)備的批量化，需要下游的生產(chǎn)廠商與鍵合設(shè)備廠商、減薄設(shè)備廠商、材料廠商等通力合作跑通量產(chǎn)工藝。
投資建議：
從目前主流的技術(shù)路線來看，鍵合設(shè)備是對先進封裝的核心關(guān)鍵設(shè)備之一，對突破HBM、CoWoS、高端CIS等領(lǐng)域的高端集成芯片是必不可少的，具有向前發(fā)展的必然性。同時國內(nèi)量產(chǎn)工藝路線經(jīng)過4年多發(fā)展，部分頭部制造廠已取得一定成績，但到量產(chǎn)應(yīng)用還有一定時間。
同時考慮臨時鍵合設(shè)備市場空間較小，建議關(guān)注非單一臨時鍵合/解鍵合設(shè)備廠商，同時還能夠做永久鍵合、混合鍵合設(shè)備，或者制做其他設(shè)備的廠商。
考慮到鍵合設(shè)備廠商與下游各類2.5D/3D先進封裝制造端的深度綁定程度，待未來2.5D/3D堆疊工藝取得突破，必將帶動一起合作開發(fā)堆疊工藝的鍵合設(shè)備廠商，建議關(guān)注從早期就介入鍵合設(shè)備賽道，并已取得客戶驗證的鍵合設(shè)備廠商，如拓荊、芯慧聯(lián)、青禾晶元、吾拾微等。
風(fēng)險提示：
（1）國產(chǎn)封裝廠商及鍵合設(shè)備廠商發(fā)展不及預(yù)期的風(fēng)險，等待期漫長；
（2）下游封裝廠商可能會優(yōu)先選擇國外設(shè)備先期突破，國產(chǎn)鍵合設(shè)備廠商作為backup二供；
（3）行業(yè)競爭加劇，已有多家國內(nèi)企業(yè)進入鍵合設(shè)備的賽道，但作為新技術(shù)的研發(fā)類設(shè)備，量產(chǎn)路線尚未完全打通，未來很可能出現(xiàn)一家先突破，贏家通吃的情況，建議深入考察標的公司。
