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半导体键合设备行业研究：先进封装高密度互联推动键合技术发展

发布时间 : 2025-04-19 06:07:41 来源：国家税务总局 字号 : [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]
（报告出品方/作者： 半导体封装技术不断发展，键合种类多元 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（TemporaryBonding）和永久键合（PermanantBonding）；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（HybridBonding）等；根据传统和先进与否，传统方法包括引线键合（WireBonding），先进方法采用倒装芯片键合（FlipChipBonding）、混合键合等。 传统封装方式主要为引线键合，实现电气互联 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�：�，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。 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。 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2021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，2021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，2020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；2020年下半年以来浮现出了竞争对手，如ASMPT、 先进封装快速发展，热压键合、混合键合为未来趋势 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。 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（HybridBonding）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。 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�。�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。 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（ThermalCompressionBonding）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，ControlledCollapseChipConnection）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�。煞庾案〉男酒�，因此多叠层HBM3通常采用TCB。 根据QYResearch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FIREBIRDTCB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。 先进封装晶圆变�。偈奔�&解键合为阶段所需工艺 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。 报告节�。� （本文仅供参考，不代表w66国际·利来(中国)最给力的老牌的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

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半导体键合设备行业研究：先进封装高密度互联推动键合技术发展

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