2025年半导体设备行业专题报告：先进封装产业+键合技术发展，共驱键合设备广阔空间

一、终端市场发展与键合设备迭代互为驱动

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。

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。

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。 超越摩尔应用的设备细分 资料来源：Techlnsights、YOLE、华安证券研究所整理 2020-2026E的封装设备市场

二、键合技术发展带来设备厂商机遇

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。

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。

TCB

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。

三、AI产业浪潮下的键合技术快速发展

HBM发展

高带宽存储器（HBM）是一项先进的高性能技术，它通过使用硅通孔（TSV）垂直堆叠多个DRAM，可显著提升数据处理速度。 这一突破性存储器解决方案采用了先进的封装方法，得益于这一封装工艺，HBM产品实现了更高容量，更大的存储带宽和更低的 延迟，被广泛应用于高性能计算、数据中心等领域。

自2013年第一代HBM诞生以来，随着技术的不断发展，HBM也经历了HBM2（第二代）、HBM2E（第三代）、HBM3（第四代）、 HBM3E（第五代）的顺序迭代，最新的HBM3E是HBM3的扩展版本。据韩媒报道，SK 海力士的第 6 代 12 层HBM4 测试良率已达 70%。SK 海力士于 2025 年3月19日宣布推出新产品12层HBM4，并且全球首次向主要客户提供了其样品。

HBM封装中组装占成本15%

HBM制造可以分为硅刻蚀、TSV铜填充、TSV铜化学机械抛光技术（CMP）、后端金属化、正面凸点形成、晶圆回流焊、临 时载片键合、TSV曝光及背面钝化、钝化CMP及TSV铜曝光、背面凸点形成、晶圆载片脱粘及黏贴承载薄膜、堆叠芯片并通 过二次成型工艺进行封装组装共12道工序。 HBM制造核心技术是TSV“连接”和封装“堆叠”。根据3D InCites，以4层DRAM存储芯片与一层逻辑芯片堆叠的HBM为例， 在99.5%的封装良率下，组装（采用TC-NCF法）在总成本中的占比为15%。

MR-MUF VS TC-NCF

TC-NCF（非导电胶膜）技术在各层DRAM之间嵌入NCF，并通过热压工艺（TC Bonding）从上至下施加热压，NCF在高温下融化，起到 连接凸点并固定芯片的作用。MR-MUF技术在每次堆叠DRAM时，会先通过加热进行临时连接，最终在堆叠完成后进行回流焊以完成键 合，随后填充环氧模塑料（EMC），使其均匀渗透到芯片间隙，起到支撑和防污染的作用。 根据SK海力士，与TC-NCF技术相比，MR-MUF技术能够同时对HBM产品中所有的垂直堆叠芯片进行加热和互联，且可将有效散热的热 虚设凸块数量增加四倍，加上EMC卓越的机械性、电气绝缘性及耐热性， 使得HBM2E的散热性能比上一代HBM2提高了36%，效率和性 能均有提升。 在传统MR-MUF工艺中，通常使用助焊剂（Flux）去除微凸点上的氧化膜，随后进行清洗。然而，随着端口数量增加，堆叠层数增加， 微凸点之间的间距缩小，导致助焊剂清洗不彻底，可能影响芯片的可靠性，无助焊剂TCB 开始应用。从倒装键合到助焊剂TCB，封装I/ O间距从200μm缩小到30μm，而无助焊剂TCB将进一步缩小间距尺寸至20μm，最大可达10μm，当I/O间距小于10μm时，就需要混合键合。

报告节选：

编辑：火腿肠