生成式AI的快速發(fā)展推動(dòng)了對(duì)高性能AI芯片的需求,進(jìn)而帶動(dòng)了相關(guān)半導(dǎo)體制造設(shè)備需求增長(zhǎng)。HBM憑借高帶寬、低功耗特性成為AI芯片性能突破核心組件,引領(lǐng)了先進(jìn)封裝和3D堆疊技術(shù)發(fā)展,進(jìn)而帶動(dòng)相關(guān)后道設(shè)備需求激增,鍵合設(shè)備正是這場(chǎng)繁榮的第一落點(diǎn)。
在HBM制造中,現(xiàn)階段HBM3/3E(8–12層)主要依賴傳統(tǒng)微凸塊(Micro Bump)技術(shù),采用的熱壓鍵合(TCB)設(shè)備以TC-NCF(非導(dǎo)電薄膜熱壓鍵合)與TC-MUF(模塑底部填充熱壓鍵合)兩條路線并行發(fā)展。然而,隨著堆疊層數(shù)的增加,傳統(tǒng)TC-NCF的散熱問題被逐漸放大,TC-MUF技術(shù)成為新一代HBM量產(chǎn)的主流技術(shù)。未來伴隨著層數(shù)進(jìn)一步增加以及總高受限的大前提,混合鍵合則被視為未來HBM進(jìn)一步演進(jìn)的關(guān)鍵。
技術(shù)迭代,HBM與鍵合設(shè)備需求同頻共振
為解決芯片凸塊間距縮小時(shí)倒裝鍵合回流焊步驟中出現(xiàn)的翹曲和精度問題,當(dāng)凸塊間距達(dá)40pm以下時(shí),TCB設(shè)備成為主流。據(jù)摩根大通預(yù)測(cè),HBM TCB設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將從2024年的4.61億美元大幅增長(zhǎng),到2027年有望突破15億美元,實(shí)現(xiàn)超兩倍的擴(kuò)張。隨著半導(dǎo)體技術(shù)向更小尺寸、更高集成度方向發(fā)展,TCB設(shè)備作為先進(jìn)封裝技術(shù)的核心設(shè)備,需求顯著增加。
包括TCB在內(nèi),HBM相關(guān)制造設(shè)備市場(chǎng)需求激增,眾多設(shè)備廠商已切實(shí)感受到這股熱潮。
2025財(cái)年第一財(cái)季(4-6月),日本DISCO公司非合并出貨金額達(dá)930億日元,同比增長(zhǎng)8.5%,設(shè)備出貨量環(huán)比增長(zhǎng)28%,創(chuàng)下歷史新高。其設(shè)備為HBM制造中的核心流程TSV提供了全面的技術(shù)支持,包括晶圓切割、研磨和拋光等關(guān)鍵工藝;韓國韓美半導(dǎo)體2024年?duì)I收同比增長(zhǎng)252%至5589億韓元(約合人民幣29.8億元),其TCB設(shè)備主要供應(yīng)SK海力士、三星和美光等,今年上半年?duì)I收達(dá)3274億韓元,全年展望更是高達(dá)8000億至1.1兆韓元;韓華SemiTech通過與SK合作,在技術(shù)上取得突破,訂單金額達(dá)4200億韓元。ASMPT上半年銷售收入65.3億港元,先進(jìn)封裝營收占比達(dá)39%,新增訂單總額為71.1億港元,同比增長(zhǎng)12.4%。其TCB設(shè)備全球裝機(jī)量超500臺(tái),用于邏輯芯片及HBM3E 12層堆疊的量產(chǎn),12層堆疊HBM4也進(jìn)入小批量試產(chǎn),且獲多家客戶訂單。
這些廠商的業(yè)績(jī)長(zhǎng)虹充分展示了HBM技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體后道設(shè)備市場(chǎng)的沖擊,推動(dòng)各廠商紛紛加大投入,搶占市場(chǎng)藍(lán)海。
從技術(shù)演進(jìn)來看,HBM本身正經(jīng)歷著從低層數(shù)向高層數(shù)堆疊的快速演進(jìn),這直接驅(qū)動(dòng)了鍵合核心工藝的升級(jí)換代。早期HBM(如4層堆疊)主要采用TC-NCF工藝。隨著市場(chǎng)對(duì)更高容量和帶寬的需求,技術(shù)逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)在主流的8層和12層堆疊(如HBM3/3E),并開始采用TC-MUF工藝。這一工藝轉(zhuǎn)變帶來了良率的顯著提升和成本的縮減。然而,要滿足下一代AI/HPC應(yīng)用對(duì)16層HBM4的要求,3D芯片堆疊技術(shù)仍是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
在HBM總厚度限制有所放寬的前提下,TCB技術(shù)依然有能力實(shí)現(xiàn)16層堆疊,但“無焊劑”(fluxless)技術(shù)的應(yīng)用變得至關(guān)重要。這是因?yàn)?6層HBM的層間距進(jìn)一步縮小,使得傳統(tǒng)助焊劑的清洗變得極其困難,助焊劑殘留成為影響良率的最主要因素。在這方面,ASMPT的TCB機(jī)臺(tái)憑借在fluxless技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),得以在市場(chǎng)上處于遙遙領(lǐng)先的地位。
當(dāng)HBM層數(shù)進(jìn)一步增加到20層(如未來的HBM4E/5)時(shí),TCB將逐漸接近其物理極限(如微凸塊電阻和信號(hào)延遲問題)。這時(shí),混合鍵合(Hybrid Bonding(HB))技術(shù)開始進(jìn)入核心考量范圍,也即40-10μm凸塊間距需用TCB,而10μm以下凸塊間距則需采用混合鍵合技術(shù)。盡管目前混合鍵合還面臨良率和極高設(shè)備成本的挑戰(zhàn),尚未進(jìn)入成熟應(yīng)用階段,但它已被業(yè)界廣泛認(rèn)為是HBM封裝技術(shù)的終極解決方案。
混合鍵合能夠?qū)崿F(xiàn)更高的集成密度和更低的功耗,在互聯(lián)密度、速度、帶寬密度、能耗以及散熱效率方面均優(yōu)于傳統(tǒng)TCB。例如專業(yè)測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)對(duì)比AMD W2W混合鍵合芯片與采用TCB的MI300,混合鍵合芯片在互聯(lián)密度、速度、帶寬密度及能耗均優(yōu)于MI300,其中互連密度較TCB技術(shù)提高了15倍,速度提升了11.9倍,帶寬密度提升191倍,能耗降低20倍;而采用混合鍵合技術(shù)的HBM芯片相比之下堆疊熱阻降低了20%,從而顯著提升散熱效率,信號(hào)完整性提高20%,減少信號(hào)傳輸過程中的損耗和干擾,動(dòng)態(tài)功耗降低17%,進(jìn)而提高整體能效,TSV互連面積減少87%,有效提升空間利用率。因而,混合鍵合技術(shù)被認(rèn)為是HBM封裝中改善散熱的最有前景的解決方案,能夠支持16層甚至20層以上的堆疊。
Yole數(shù)據(jù)顯示,2024年混合鍵合設(shè)備市場(chǎng)增速達(dá)67%,其在HBM市場(chǎng)的滲透率將從2025年的1%躍升至2028年的36%,對(duì)應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模從900萬美元爆發(fā)式增長(zhǎng)至8.73億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率超150%。
可以預(yù)見,短期內(nèi),TCB,尤其是結(jié)合了fluxless和MUF工藝的先進(jìn)TCB,憑借其成熟度與成本優(yōu)勢(shì),將繼續(xù)主導(dǎo)HBM3E和HBM4的量產(chǎn)。而長(zhǎng)期來看(2028年以后),對(duì)于20層以上的超高層堆疊(HBM4E/5),混合鍵合將成為無可替代的選擇,當(dāng)然前提是其良率能夠突破且設(shè)備成本得以下降。
群雄逐鹿,鍵合設(shè)備廠商拉開攻防戰(zhàn)
目前,半導(dǎo)體鍵合設(shè)備市場(chǎng)正因HBM技術(shù)迭代迎來格局重塑。國際巨頭憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)占據(jù)主導(dǎo)地位,而中國廠商在政策與需求驅(qū)動(dòng)下加速突圍,形成多極競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。
在TCB賽道,韓國廠商在部分細(xì)分領(lǐng)域具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。HBM熱壓鍵合設(shè)備的主流工藝路徑包括:SK海力士采用的MR-MUF,以及三星電子與美光(Micron)采用的TC-NCF。韓美半導(dǎo)體(Hanmi)的TCB機(jī)型可兼容上述兩類工藝。按公司與媒體公開信息,2024年Hanmi營收約558.9億韓元,同比增約252%;在HBM3E 12-Hi量產(chǎn)所用TCB設(shè)備這一細(xì)分段、以階段性出貨/裝機(jī)口徑統(tǒng)計(jì),其份額一度超過90%。同時(shí),韓美半導(dǎo)體也穩(wěn)步布局新一代封裝技術(shù),包括無助焊劑黏合(fluxless bonding)和混合鍵合設(shè)備。
同樣來自韓國的韓華SemiTech自2020年就開始布局HBM相關(guān)設(shè)備,并成功與SK海力士簽下供貨合同。2024年,其累計(jì)向SK交付12臺(tái)TCB鍵合機(jī),總金額達(dá)420億韓元。今年5月,韓華Semitech進(jìn)行業(yè)務(wù)重組成立了“先進(jìn)封裝設(shè)備開發(fā)中心”,計(jì)劃將其開發(fā)能力擴(kuò)展到HBM生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備TCB設(shè)備之外,以涵蓋混合鍵合設(shè)備等下一代技術(shù)。
此外,三星作為HBM制造商,也在悄然調(diào)整關(guān)鍵設(shè)備供應(yīng)鏈。以往三星主要從子公司SEMES與日本新川(SHINKAWA)采購TCB設(shè)備,但近年已逐步將采購重心轉(zhuǎn)向SEMES,并全面替代新川產(chǎn)品,應(yīng)用于包括HBM2E在內(nèi)的多個(gè)制程,并以此保障對(duì)華為及中國GPU廠的4層HBM供貨。依托三星在存儲(chǔ)領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力,SEMES在TCB設(shè)備應(yīng)用與推廣方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
新加坡ASMPT則以超500臺(tái)TCB的全球裝機(jī)量構(gòu)建護(hù)城河,TCB作為當(dāng)前主力,仍然是該公司先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)訂單和收入的最大貢獻(xiàn)者。目前ASMPT已成功為領(lǐng)先的HBM客戶安裝了HBM3E 12層堆疊的批量TCB設(shè)備,并支持HBM4 12層堆疊的小批量生產(chǎn)(LVM)。其TCB解決方案對(duì)于芯片到基板(C2S)邏輯應(yīng)用也至關(guān)重要,ASMPT是領(lǐng)先晶圓代工廠OSAT合作伙伴的獨(dú)家供應(yīng)商。
ASMPT在TCB技術(shù)方面持續(xù)取得進(jìn)展,其FIREBIRD系列TCB設(shè)備提供獨(dú)特功能,包括可無縫升級(jí)至12層及以上堆疊的無助焊劑應(yīng)用,并能靈活處理不同的HBM封裝工藝(NCF、MUF助焊劑/無助焊劑),已交付領(lǐng)先HBM客戶用于量產(chǎn)。與領(lǐng)先晶圓代工廠聯(lián)合開發(fā)的用于下一代主動(dòng)氧化物去除 TCB AORTM 的超精細(xì)節(jié)距芯片到晶圓(C2W)邏輯應(yīng)用,正從試生產(chǎn)階段邁向批量生產(chǎn)。
在混合鍵合賽道,全球混合鍵合設(shè)備市場(chǎng)主要由國際龍頭企業(yè)主導(dǎo),其中荷蘭BESI是該領(lǐng)域的龍頭,市占率高達(dá)67%。其設(shè)備廣泛應(yīng)用于3D IC、MEMS和先進(jìn)封裝等領(lǐng)域,尤其在高端市場(chǎng)具有顯著優(yōu)勢(shì)。為搶占先機(jī),美國的應(yīng)用材料公司今年4月份宣布收購BESI公司9%的股份,并率先將其混合鍵合設(shè)備導(dǎo)入系統(tǒng)級(jí)半導(dǎo)體市場(chǎng),搶占應(yīng)用先機(jī)。奧地利EVG、德國SUSS也是該領(lǐng)域設(shè)備主要供應(yīng)商。
ASMPT同樣將混合鍵合視為未來更高HBM堆疊的關(guān)鍵,在保持其在TCB市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位的同時(shí),正積極開發(fā)和商業(yè)化混合鍵合技術(shù)。該公司在2024年第三季度取得了重要里程碑,向一家邏輯客戶交付了首臺(tái)混合鍵合設(shè)備(LITHOBOLT?),并獲得了兩臺(tái)用于HBM應(yīng)用的下一代混合鍵合設(shè)備的首次訂單,預(yù)計(jì)將于2025年第三季度交付。第二代混合鍵合設(shè)備在對(duì)準(zhǔn)、鍵合精度、占地面積和每小時(shí)處理單元數(shù)(UPH)方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。
與此同時(shí),韓美半導(dǎo)體與韓華半導(dǎo)體也在加速研發(fā)下一代芯片堆疊設(shè)備,這兩家韓國廠商不僅在迅速推進(jìn)混合鍵合設(shè)備研發(fā),還在積極開發(fā)無助焊劑鍵合設(shè)備,以此來增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。7月份,LG電子下屬的生產(chǎn)技術(shù)研究所 (PTI) 也傳出已啟動(dòng)混合鍵合設(shè)備開發(fā),目標(biāo)在2028年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
隨著混合鍵合市場(chǎng)的初步開啟,該技術(shù)有望引發(fā)半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域的一場(chǎng)重大洗牌。一旦成功導(dǎo)入,混合鍵合將可能成為未來20層以上HBM堆疊的主流工藝。
國內(nèi)方面,鍵合設(shè)備出現(xiàn)了百花齊放的局面,多家公司走出了各具特色的道路。
華卓精科針對(duì)HBM芯片制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié),獨(dú)立研發(fā)了一系列高端設(shè)備,包括混合鍵合設(shè)備(UP-UMA HB300)、熔融鍵合設(shè)備(UP-UMA FB300)、芯粒鍵合設(shè)備(UP-D2W-HB)、激光剝離設(shè)備(UP-LLR-300)和激光退火設(shè)備(UP-DLA-300),打破了國產(chǎn)HBM芯片的發(fā)展瓶頸,為我國存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的自主化發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。
拓荊科技是國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)混合鍵合設(shè)備量產(chǎn)(W2W)的廠商,其晶圓對(duì)晶圓鍵合產(chǎn)品(dione 300)和芯片對(duì)晶圓鍵合表面預(yù)處理產(chǎn)品(propus)均達(dá)到國際領(lǐng)先水平,通過頭部晶圓廠驗(yàn)證。
艾科瑞思(ACCURACY)曾2023年發(fā)布D2W混合鍵合設(shè)備,成為首個(gè)被Yole報(bào)告收錄的中國D2W設(shè)備供應(yīng)商,后續(xù)發(fā)展不太順利。
青禾晶元在今年3月發(fā)布全球首臺(tái)獨(dú)立研發(fā)C2W&W2W雙模式混合鍵合設(shè)備SAB82CWW系列,在存儲(chǔ)器、Micro-LED顯示、CMOS圖像傳感器、光電集成等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。
普萊信智能與客戶聯(lián)合開發(fā)了Loong系列TCB設(shè)備,兼容晶圓級(jí)(12英寸)、板級(jí)(620×620mm)封裝,支持HBM堆疊等全流程工藝。
邁為股份自主研發(fā)的全自動(dòng)晶圓級(jí)混合鍵合設(shè)備在今年7月成功交付國內(nèi)新客戶。
隨著國產(chǎn)廠商逐步突破關(guān)鍵技術(shù),有望在未來幾年內(nèi)在TCB鍵合及混合鍵合設(shè)備市場(chǎng)提升市場(chǎng)份額。
未來展望:鍵合設(shè)備的下一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)
放眼未來,鍵合設(shè)備的競(jìng)賽遠(yuǎn)未到終局,反而剛剛進(jìn)入真正的技術(shù)深水區(qū)。
1~2年來HBM仍將以TCB設(shè)備為主要量產(chǎn)方式,而隨著堆疊層數(shù)增加,尤其是16層以后,fluxless TCB會(huì)是破局的重要技術(shù)。而3~5年之后,當(dāng)HBM堆疊層數(shù)突破至20層,業(yè)內(nèi)依然在考慮優(yōu)先選用TCB設(shè)備,無助焊劑則是必然的選擇,其次是嘗試處理超薄芯片(<30um)以及更高的貼片精度(0.8um),同時(shí)HBM制造商也會(huì)在器件結(jié)構(gòu)和材料方面進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新。還有業(yè)內(nèi)傳聞HBM有希望繼續(xù)突破目前775um總厚度的限制等,都在為TCB設(shè)備延續(xù)量產(chǎn)生命力鋪設(shè)臺(tái)階。
對(duì)于TCB而言,其瓶頸主要在于性能和可擴(kuò)展性。隨著芯片互連密度持續(xù)增長(zhǎng),TCB的凸塊尺寸和間距成為限制其進(jìn)一步發(fā)展的主要因素,尤其是間距低于10μm時(shí),TCB面臨材料極限,例如易形成脆弱金屬間化合物、可靠性下降等,這將倒逼成本更高的混合鍵合走上前臺(tái)。此外,TCB在極高I/O數(shù)(上萬以上)芯片上操作時(shí)間較長(zhǎng),也可能成為生產(chǎn)瓶頸。熱管理與熱阻困境也是一個(gè)重要挑戰(zhàn),隨著堆疊層數(shù)增加(如HBM4 16層),TCB工藝的接合間隙高度限制和熱量滯留問題加劇,難以滿足高功耗堆疊芯片的熱耗散需求,可能導(dǎo)致功耗增加和整體容量受限。
當(dāng)器件達(dá)到物理極限,混合鍵合依然是最終的方案,只不過目前混合鍵合在HBM領(lǐng)域還不成熟,良率和成本效益還達(dá)不到量產(chǎn)的要求。技術(shù)方面主要面臨極端精度與潔凈度壁壘、翹曲與形貌控制難題等。要降低成本,需要提高設(shè)備產(chǎn)出/小時(shí)(提升貼片并行度或速度)、簡(jiǎn)化工藝步驟以及提高成品率。其中任何一點(diǎn)都有相當(dāng)難度:例如提升速度可能影響精度和良率,需要在機(jī)器和流程上重大創(chuàng)新。目前業(yè)界在嘗試通過晶圓級(jí)鍵合和芯粒級(jí)鍵合相結(jié)合,優(yōu)化不同尺寸芯片的良率和成本曲線。
由此可見,TCB要繼續(xù)支撐更先進(jìn)封裝將受限于可實(shí)現(xiàn)的間距和速度,而混合鍵合要走向大規(guī)模商用則需突破成本高和產(chǎn)能低的障礙??傮w而言,TCB和混合鍵合在產(chǎn)能上都面臨權(quán)衡:精度越高,速度往往越低,這對(duì)大規(guī)模應(yīng)用提出挑戰(zhàn)。而兩者在一定時(shí)期內(nèi)也將并存互補(bǔ):成本敏感且Pitch≥20-30μm的場(chǎng)合傾向沿用TCB,極致性能要求且Pitch<10μm的先進(jìn)產(chǎn)品才會(huì)使用混合鍵合。
面對(duì)未來戰(zhàn)場(chǎng),設(shè)備廠商正從多個(gè)維度進(jìn)行創(chuàng)新。
首先,先進(jìn)工藝控制是核心方向之一。例如投入開發(fā)創(chuàng)新的芯片鍵合解決方案,以精確解決工藝控制和貼裝精度難題。這包括采用非接觸式測(cè)量實(shí)現(xiàn)精確點(diǎn)膠、卓越的XY定位精度、鍵合力控制以及實(shí)時(shí)補(bǔ)償功能,以便在工藝過程中及時(shí)驗(yàn)證和糾正問題。
其次,材料創(chuàng)新是另一個(gè)重要方向。行業(yè)正轉(zhuǎn)向使用耐高溫材料,如納米銀漿,以解決功率器件中導(dǎo)電連接因高溫和負(fù)載變化而老化的問題。
另外,ASMPT的無助焊劑鍵合技術(shù)正在開發(fā)中,旨在為2.5D和3D小芯片集成以及具有精細(xì)凸塊節(jié)距路線圖的HBM器件實(shí)現(xiàn)無殘留。
最后,隨著AI算力需求持續(xù)釋放,設(shè)備行業(yè)可能會(huì)出現(xiàn)技術(shù)路線變革、市場(chǎng)格局重塑以及新興技術(shù)融合的情況,合作與生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展至關(guān)重要。ASMPT正積極與主要客戶和領(lǐng)先材料供應(yīng)商合作,共同開發(fā)最佳封裝解決方案。例如與IBM在推進(jìn)Chiplet封裝的TCB和混合鍵合方法方面的合作;與EV Group的聯(lián)合開發(fā)旨在通過結(jié)合EVG的芯片制備和晶圓鍵合技術(shù)與ASMPT的超高精度芯片鍵合能力,提供C2W混合鍵合的最佳集成客戶解決方案。
值得一提的是,奧芯明作為ASMPT集團(tuán)在中國設(shè)立的本土品牌,正積極攜手國內(nèi)晶圓代工、封測(cè)、材料及設(shè)備生態(tài)合作伙伴,構(gòu)建適配本土工藝路徑的先進(jìn)封裝解決方案體系。在HBM關(guān)鍵工藝上,該公司正依托ASMPT成熟的FIREBIRD系列熱壓鍵合平臺(tái),結(jié)合本地客戶在工藝開發(fā)階段的特殊需求,優(yōu)化助焊劑控制、鍵合力學(xué)參數(shù)與多芯片協(xié)同貼合策略。同時(shí),奧芯明也在推動(dòng)下一代混合鍵合技術(shù)在中國市場(chǎng)的量產(chǎn)導(dǎo)入條件,包括本地化設(shè)備調(diào)試團(tuán)隊(duì)、本地供應(yīng)鏈整合,以及針對(duì)中試階段的快速響應(yīng)能力建設(shè)等??梢哉f,奧芯明不僅是設(shè)備提供者,更積極作為系統(tǒng)方案共建方參與國產(chǎn)HBM堆疊工藝路線的早期評(píng)估與驗(yàn)證。通過與國內(nèi)領(lǐng)先IDM、封測(cè)廠及研究機(jī)構(gòu)開展聯(lián)合評(píng)估,其致力于推動(dòng)從設(shè)備到材料、工藝到量產(chǎn)的協(xié)同,加快實(shí)現(xiàn)具備自主可控能力的HBM國產(chǎn)封裝生態(tài)落地。
展望未來,隨著國內(nèi)HBM制造技術(shù)逐步邁入量產(chǎn)驗(yàn)證階段,封裝環(huán)節(jié)所需的鍵合精度、熱管理能力與良率保障成為產(chǎn)業(yè)鏈能否落地的關(guān)鍵門檻,對(duì)鍵合設(shè)備提出了更極致的對(duì)位精度、壓力控制與表面潔凈度要求。隨著AI算力需求持續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),設(shè)備廠商也必須在精度、成本、良率的“不可能三角”中取得平衡,才能在這場(chǎng)由算力驅(qū)動(dòng)的“堆疊競(jìng)賽”中勝出。