先进封装产业+键合技术发展，共驱键合设备广阔空间

华安机械分析师：张帆执业证书号：S0010522070003邮箱：zhangfan@hazq.com分析师：徒月婷执业证书号：S0010522110003邮箱：tuyueting@hazq.com2025年3月20日 华安证券研究所 证券研究报告 目录 一、终端市场发展与键合设备迭代互为驱动 二、键合技术发展带来设备厂商机遇 三、AI产业浪潮下的键合设备发展 四、设备厂商和投资标的梳理 一、终端市场发展与键合设备迭代互为驱动 1.1半导体键合概念 半导体后道封装工艺包含背面研磨(Back Grinding)、划片(Dicing)、芯片键合(Die Bonding)、引线键合(Wire Bonding)及成型(Molding)等步骤。这些工艺的顺序可根据封装技术的变化进行调整、相互结合或合并。“键合”是指将晶圆芯片固定于基板上。键合工艺可分为传统方法和先进方法两种类型。传统方法采用芯片键合(Die Bonding)（或 芯片贴装(Die Attach)）和引线键合(Wire Bonding)，而先进方法则采用IBM于60年代后期开发的倒装芯片键合(Flip Chip Bonding)技术。倒装芯片键合技术将芯片键合与引线键合相结合，并通过在芯片焊盘上形成凸块(Bump)的方式将芯片和基板连接起来。 1.2键合分类 按是否需要进行解键合，可以将晶圆键合分为永久键合和临时键合。 永久键合后无需解键合，按照封装方案的不同，永久键合可能涉及完整的晶圆或单片芯片，其连接到其他晶圆或再分配层或中介层，目的是保证封装组件键合的永久性，并提供牢固的电、热和机械连接。根据是否有中间层，可以将永久键合分为两种主要类型：•（1）没有中间层的直接键合，包括融熔键合/直接或分子键合、铜 -铜/氧化物混合键合、阳极键合等；•（2）有中间层的间接键合，按照中间层材料分为使用绝缘中间层 的玻璃浆料键合、胶键合等，以及使用金属键合的共晶键合、金属热压键合、回流焊等。 临时键合是指将晶圆临时键合到一个或多个临时载体衬底上，从而为薄晶片或超薄晶片提供机械支撑，之后再解离的过程。电子产品的小型化要求芯片具有更好的散热和更高性能，因此需要对晶圆进行减薄以达到所需厚度。然而当晶圆的厚度减小到200微米内时，超薄晶圆会变得脆弱并容易发生翘曲。因此半导体行业提出了各种临时粘合/解离（TBDB）技术，在晶圆减薄、加工和转移过程中为超薄晶圆提供机械支撑和物理保护，减少翘曲和破片的风险，以及加工时因晶圆位移等可能产生的缺陷。 1.3终端市场发展与设备迭代互为驱动 AI、电动汽车和先进移动设备等终端应用市场的驱动下，永久键合以及临时键合和解键合设备市场持续增长。相对的，光刻和键合设备的升级迭代，是下游市场持续迭代的重要支撑。根据Techlnsights，2024年半导体封装设备市场与2023年相比预计实现增长，但与2021年的上一个周期性峰值相比预计下降。当前的下 行周期主要是由2020年和2021年大规模产能建设后主流消费应用需求下降驱动的。2024年主要终端用户市场的需求减少，被生成式AI应用的大幅增长所抵消，主要用于高端计算和数据中心。在持续两年多的行业低迷之后，2024年至2026年组装设备市场预期将增长59%，这受益于半导体单位产量增加，过剩库存消耗，产能利用率上升，以及AI相关先进封装解决方案的需求继续增加。光刻设备是超越摩尔器件的制造技术发展的支柱，键合设备的改进则推动了先进封装。在永久键合设备方面，背面照明（BSI） CMOS图像传感器的混合键合正在发展，混合键合也无可争议地被用于存储器和逻辑器件的3D集成和堆叠。临时键合设备的销售则受衬底减薄和处理的推动，尤其是先进封装。 1.4先进封装发展中的键合设备技术升级 摩尔定律驱动先进封装的发展，同样伴随着键合方式的改变，键合技术的发展的主线是实现更高密度的互联和更小的封装尺寸。在封装史上，最后一次重大范式转变是从引线键合到倒装芯片：引线键合工艺要求键合焊区的凸点电极沿芯片四周边缘分布，引线的存在也 需要塑封体提供保护，从而增加了体积，阻碍了芯片工作时热量的散发。随着器件小型化和复杂化，传统封装使用的引线键合工艺逐渐难以满足行业需求。与传统的引线键合技术相比，倒装芯片焊接技术键合焊区的凸点电极不仅仅沿芯片四周边缘分布，且可以通过再布线实现面阵分布。因而倒装芯片焊接技术具有小尺寸、高密度、高性能等优点。从倒装芯片起，更先进的封装形式（例如晶圆级扇出和TCB）一直是相同核心原理的渐进式改进。未来，随着堆叠需求的增长，密度及精度要 求的提升，无焊剂的混合键合工艺有望引领封装范式的下一次转变。 二、键合技术发展带来设备厂商机遇 2.1关注键合技术发展本身带来的设备厂商机会 不同键合方式均有其应用场景，往往同一产品的不同流程中综合运用多重键合方式，加上不同器件并存，整体键合设备呈现多样化并存的局面。 键合技术随着下游应用领域变化而不断发展，关注键合技术发展本身带来的设备厂商机会。一些晶圆键合设备由MEMS领域应用转化到3D集成技术的先进封装领域，表现出高对准精度特点，并向自动化、集成化方向发展。 2.1倒装回流焊 在先进封装工艺中，倒装芯片发展时间最长，较为成熟。倒装芯片起源于20世纪60年代，由IBM率先研发出来，是将芯片功能区朝下以倒扣的方式背对着基板，通过焊料凸点（简称Bump）与基板进行互联。基础的倒装芯片采用回流焊作为键合方案，此外，还有热压焊、超声焊和胶粘连接等方案。 由于倒装芯片焊接技术键合焊区的凸点电极不仅仅沿芯片四周边缘分布，且可以通过再布线实现面阵分布，因而与传统的引线键合技术相比，倒装芯片焊接技术具有如下优点：①尺寸小、薄，重量更轻；②密度更高，能增加单位面积内的I/O数量；③性能提高，短的互连减小了电感、电阻以及电容，信号完整性、频率特性更好；④散热能力提高，倒装芯片没有塑封体，芯片背面可用散热片等进行有效的冷却，使电路的可靠性得到提高；⑤生产效率高，降低了批量封装的成本。 2.2从倒装回流焊到TCB 随着互连密度的增加和间距缩小到50μm以下，回流焊工艺缺陷率的提高，厂商开始寻求新的工艺和设备以解决回流焊的缺陷问题，TCB热压键合应运而生。1）根据所使用的回流锡膏的种类，回流温度的峰值一般控制在240ºC到260ºC。但是由于回流炉中加热会导致芯片、基板、焊球以不 同的速率膨胀，从而发生翘曲导致芯片不能很好的被粘合，最后导致良率出现问题。由于Bump尺寸和间距的减小、超薄die的使用以及封装材料热膨胀系数的差异，回流焊工艺的缺陷率提高，回流焊过程中产生的翘曲、非接触性断开、局部桥接等缺陷增加。2）芯片的位置容易发生偏移：一是料盘/载具在传输过程中受震动影响，二是回流过程中芯片的自由偏移。焊接凸点间距(Pitch)越 小，芯片尺寸越大，偏移失效越严重。 2.3TCB 英特尔公司最早选择了基于基板(Substrate)的TCB(Thermal Compression Bonding热压键合)工艺以替代传统的回流焊,由英特尔和ASMPT公司联合开发，并于2014年导入量产。TCB典型的工艺温度范围在150ºC-300ºC之间，压力水平在10-200MPa之间。 TCB的工艺流程：1）首先将喷涂了助焊剂(Flux)的基板固定在真空板上，这样基板将不会随着热发生翘曲形变；2）之后BH(贴片头)将捡起的晶片(Die)迅速加热到临界锡球融化温度；3）经过相机对位后，BH把晶片精准贴放到基板的凸点阵列区；4）在基板与晶片的凸点物理位置接触的一瞬间，BH从压力敏感控制转为位置敏感控制，并迅速加热到锡球融化温度以上保持数秒，之后BH迅速冷却，使得上下凸点之间的连接变为固相，焊接过程完成。 TCB解决了标准倒装芯片的几个主要问题：1）热量从芯片顶部施加，因此只有芯片和C4焊料连接会升温，可以最大限度地减少基板翘曲问题。2）这种键合方式确保均匀粘合，没有间隙变化或倾斜。3）这种键合几乎没有空隙。4）在相同的I/O间距下，TCB可实现更好的电气性能。TCB还允许I/O间距缩小到更小的尺寸，并可以封装更薄的die。 2.4从TCB到fluxless TCB 标准的TCB工艺需要使用助焊剂。在加热过程中，铜可能会氧化并导致互连故障，助焊剂是一种用于去除铜氧化物的涂层。但当互连间距缩小到10μm以上时，助焊剂会变得更难清除，并会留下粘性残留物，这会导致互连发生微小变形，从而造成腐蚀和短路。 无助焊剂的TCB（fluxlessTCB）则最早由库力法索于2023年推出。没有助焊剂可提高互连的长期可靠性，因为它消除了可能导致芯片性能故障的污染风险，能够将键合间距缩小至10μm。但它需要更严格的工艺控制，并且由于涉及额外步骤，吞吐量较低。 为了消除与助焊剂相关的挑战，无助焊剂TCB在真空或惰性气体环境（如氮气或氩气）中运行，以防止键合过程中发生氧化。流程为：1）基板放在基座上进行预加热，在氮气保护的通道中被传送到键合头下方。2）键合头将晶粒吸起，根据BUMP点进行对位，在升温的同时喷出甲酸气体将基板及晶粒上的BUMP氧化层去除，然后进行热压键合。 2.5混合键合——概念 在封装行业完成由引线键合转向倒装键合的范式转变后，先进封装的封装方法都使用某种带焊料的凸块作为硅与封装基板之间的互连。在微凸块方案中，每个芯片之间的间隔距离取决于微凸块的高度，但由于存在物理上的限制，这些技术只能将Bump之间的间距缩小到约10微米。3D内存堆栈和异构集成需要极高的互连密度，与本身支持高密度互连方案的微凸块相比，采用无凸块互连的混合键合可提供更小尺寸的I/O端子和减小间距的互连。其尺寸超出了10微米互连间距，并且它不使用任何中介物，例如具有更高电阻的焊料。因此，混合键合互连方案可以显著降低整体封装厚度，在多芯片堆叠封装中可能减薄高达数百微米。 2.5混合键合——应用场景 20世纪80年代中期，混合键技术（Hybird Bonding）的概念被提出，这是一种新型的键合技术，能够实现更精细的连接和更高的性能。这一技术最初被称为直接键合连接（Direct Bond Interconnect，DBI），并在2000年由Ziptronix公司进一步开发。业界第一个HybridBonding量产的产品是由Sony2015年在CMOS图像传感器的应用Cu-Cu直接键合。 混合键合在3D NAND典型应用：长江存储的Xtacking®通过混合键合Memory和CMOS垂直互联。三星也于2025年与长存签署了堆叠400 层NAND所需的混合键合技术的专利许可协议。混合键合逐渐走向了逻辑、HBM等更多应用场景：AMD 3D V-Cache采用台积电SolC-X技术，通过混合键合将缓存直接堆叠于CPU核心， 长江存储的Xtacking®显著提升系统性能；SK海力士和三星等计划利用混合键合实现HBM存储器更高层数堆叠，优化散热与带宽。混合键合设备的细分应用 2.5混合键合——市场空间 根据BESI，目前混合键合已成功用于数据中心和其他高性能计算应用的高端逻辑器件的商业化生产，随着IDM、代工厂和分包商越来越多地将该技术用于HBM4/5、ASIC逻辑设备、共封装光学和消费者移动/计算应用，预计混合键合在未来三年内将出现显著的增长。BESI预测2025-2026年将迎来混合键合在存储芯片的使用，到2030年混合键合市场（不包括共同包装的光学和复杂的CMOS传感器应用）中性预期将达到1,400套，由于混合键合设备的平均售价显著高于TCB键合系统，每台键合设备的成本在200万至250万欧元之间，我们测算对应2030年市场空间达到28亿至35亿欧元。 2.5混合键合——W2W与D2W 具体而言，混合键合可以通过三种方法来完成：一种是晶圆到晶圆（wafer-to-wafer：W2W）键合，这种方式更加成熟，但限