键合分类、市场驱动及技术发展分析

在先进封装工艺中，倒装芯片发展时间最长，较为成熟。

1.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。

2.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。

3.键合技术随着下游应用领域变化而不断发展

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。

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。

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（fluxless TCB）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。