2024年半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)專題報(bào)告：鍵合設(shè)備-推動(dòng)先進(jìn)封裝發(fā)展的關(guān)鍵力量

2024年半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)專題報(bào)告：鍵合設(shè)備_推動(dòng)先進(jìn)封裝發(fā)展的關(guān)鍵力量一、鍵合機(jī)——半導(dǎo)體封裝技術(shù)進(jìn)步的承載（一）鍵合機(jī)是半導(dǎo)體后道封裝環(huán)節(jié)的重要設(shè)備芯片鍵合機(jī)（DieBonder），又稱固晶機(jī)，是半導(dǎo)體后道封測的芯片貼裝（Dieattach）環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵、最核心的設(shè)備。鍵合機(jī)主要用于裸芯片或微型電子組件的貼裝，將芯片安裝到引線框架（Leadframe）、熱沉（Heatsink）、基板（Substrate）或直接安裝到PCB板上，以此來實(shí)現(xiàn)芯片與外部之間的電連接。通常來說，芯片鍵合不僅要求封裝好的芯片產(chǎn)品能夠承受后續(xù)組裝的物理壓力，并消散芯片工作期間產(chǎn)生的熱量，還要求其必須保持恒定的導(dǎo)電性以及實(shí)現(xiàn)高水平的絕緣性。因此，隨著芯片尺寸變得越來越小，性能要求不斷提高，鍵合技術(shù)變得越來越重要，鍵合設(shè)備也成為了半導(dǎo)體后道封裝設(shè)備中的關(guān)鍵一環(huán)，也承載了鍵合技術(shù)的進(jìn)步。鍵合工藝大體可分為傳統(tǒng)鍵合和先進(jìn)鍵合兩種類型：傳統(tǒng)方法需要芯片鍵合機(jī)（或稱固晶機(jī)）和引線鍵合機(jī)的同時(shí)參與。傳統(tǒng)方法包括芯片貼裝(DieAttach)和引線鍵合(WireBonding)兩個(gè)環(huán)節(jié)。在芯片貼裝過程中，首先需在封裝基板上點(diǎn)上粘合劑，隨后將芯片頂面朝上放置固定在基板上。然后通過引線鍵合機(jī)將芯片正面的pad點(diǎn)連接到框架或基板焊盤上，目前工藝比較成熟。由于整個(gè)鍵合過程分為兩步，因此需要芯片鍵合機(jī)（或稱固晶機(jī)）和引線鍵合機(jī)兩類設(shè)備參與。先進(jìn)方法則采用IBM于60年代后期開發(fā)的倒裝芯片鍵合(FlipChipBonding)，鍵合過程通常在芯片鍵合機(jī)中直接完成。FlipChip工藝首先在芯片頂面焊盤上形成名為焊球(SolderBall)的小凸塊，隨后將芯片翻轉(zhuǎn)后直接通過熱壓焊接的方式將芯片和基板鏈接。與傳統(tǒng)引線鍵合相比，倒裝芯片能夠?qū)崿F(xiàn)更高的封裝密度，更短的線路互聯(lián)，減少干擾，降低容抗，從而實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定可靠的連接。由于先進(jìn)方式不需要引線鍵合這一步驟，所以通常整個(gè)芯片貼裝工藝實(shí)現(xiàn)可以在單臺(tái)芯片鍵合機(jī)中完成。（二）受益于先進(jìn)封裝，鍵合機(jī)迎來廣闊發(fā)展大數(shù)據(jù)與AI算力需求驅(qū)動(dòng)，全球半導(dǎo)體規(guī)模向萬億美元進(jìn)發(fā)?；仡櫲虬雽?dǎo)體行業(yè)發(fā)展歷程，每一次技術(shù)革新都是行業(yè)大規(guī)模增長的起點(diǎn)，從1984年人類社會(huì)進(jìn)入PC+互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，再到21世紀(jì)進(jìn)入移動(dòng)通訊時(shí)代，全球半導(dǎo)體市場經(jīng)歷了快速增長的過程，長期來看，大數(shù)據(jù)+AI時(shí)代下人工智能、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、5G等技術(shù)仍是行業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素，對混合鍵合、CSP等先進(jìn)技術(shù)的投資擴(kuò)張，行業(yè)基本面長期向好。根據(jù)SEMI預(yù)測，在大數(shù)據(jù)+AI，以及未來可能的量子時(shí)代驅(qū)動(dòng)下，全球半導(dǎo)體市場將迎來新一輪增長階段，行業(yè)收入有望在2030年達(dá)到萬億美元量級。摩爾定律逐步放緩，先進(jìn)封裝接棒先進(jìn)制程成為后摩爾時(shí)代主力軍。由于集成電路制程工藝短期內(nèi)可能遇到瓶頸，且傳統(tǒng)的二維互連封裝技術(shù)已不能解決高集成度和趨近物理極限尺寸的芯片下產(chǎn)生的互連延時(shí)以及功耗增加等問題，為了提高芯片的集成度、降低芯片功耗、減小互連延時(shí)、提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬，出現(xiàn)了向第三維垂直方向發(fā)展的2.5D/3D先進(jìn)封裝技術(shù)。三維集成與封裝技術(shù)使互連密度更高，功能更強(qiáng)，性能更好，可靠性更高，成本卻相對較低，成為了延續(xù)甚至超越摩爾定律的重要方法之一，因而得到了越來越多的研究、開發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)，基于2.5D和3D的封裝架構(gòu)也引入了更多不同的封裝環(huán)節(jié)（如C2W熱壓鍵合、混合鍵合、內(nèi)嵌橋接等），新技術(shù)的研發(fā)和投入生產(chǎn)推動(dòng)產(chǎn)品性能和市場規(guī)模持續(xù)提高。根據(jù)JWInsights和Yole的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測，全球先進(jìn)封裝市場規(guī)模有望從2023年408億美元上升至2026年482億美元，2019-2026年CAGR約為7.53%。在先進(jìn)封裝的技術(shù)推動(dòng)下，鍵合步驟和鍵合設(shè)備價(jià)值量顯著提升。以AMDEPYC（霄龍）處理器為例，AMD在1代和2代芯片上采用倒裝工藝，所需鍵合步驟數(shù)分別為4和9步，而隨著AMD將混合鍵合工藝引入EPYC生產(chǎn)，所需鍵合步驟束陡增至超過50步。同時(shí)，以Besi提供的鍵合機(jī)類型來看，倒裝工藝需要的8800FCQuantum平均售價(jià)為50萬美元，對應(yīng)每小時(shí)產(chǎn)量9000片，而引入混合鍵合模組的8800UltraAccurateC2WHybridBonder平均售價(jià)達(dá)到了150-200萬美元，對應(yīng)每小時(shí)產(chǎn)量1500-2000片，相應(yīng)設(shè)備的單位產(chǎn)量投資額提升了將近18倍。在先進(jìn)封裝成為后摩爾時(shí)代發(fā)展主力方向的背景下，鍵合機(jī)將成為技術(shù)進(jìn)步的主要推動(dòng)力并受益，有望在未來進(jìn)一步打開成長空間。從市場規(guī)模來看，鍵合機(jī)價(jià)值量占封裝設(shè)備25%左右。根據(jù)TechInsights統(tǒng)計(jì)預(yù)測，2023年全球半導(dǎo)體封裝設(shè)備市場規(guī)模約為43.45億美元，其中，鍵合/固晶機(jī)市場規(guī)模約為10.85億美元，同比下滑15.43%，價(jià)值量占比25%左右。未來隨著先進(jìn)封裝發(fā)展，鍵合機(jī)市場規(guī)模有望在2025年增長至17.48億美元，2020-2025年CAGR約為13.0%，超過封裝設(shè)備整體增速（10.6%）、包裝與電鍍設(shè)備（9.9%）以及其他封裝設(shè)備增速（9.8%）。二、封裝技術(shù)不斷演進(jìn)，對鍵合工藝要求持續(xù)提高（一）封裝技術(shù)隨芯片性能要求不斷演進(jìn)當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展應(yīng)用趨勢包含了智能移動(dòng)設(shè)備、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、5G通信網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算機(jī)（HPC）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能汽車、工業(yè)4.0、云計(jì)算等。這些應(yīng)用催生了電子器件的快速發(fā)展，要求芯片具備更高的運(yùn)算速度、更小的體積、更大的帶寬，同時(shí)要求低功耗、低發(fā)熱量和大的存儲(chǔ)容量。這就要求芯片的制造和封裝滿足高性能需求，在被稱為后摩爾定律的時(shí)代，芯片的封裝越來越受到重視。根據(jù)《中國半導(dǎo)體封裝業(yè)的發(fā)展》（畢克允等），從歷史上來看封裝技術(shù)發(fā)展可大致分為五階段：階段一（20世紀(jì)70年代以前）：以通孔插裝型封裝為主；典型的封裝形式包括最初的金屬圓形(TO型)封裝，以及后來的陶瓷雙列直插封裝(CDIP)、陶瓷-玻璃雙列直插封裝(CerDIP)和塑料雙列直插封裝(PDIP)等；其中的PDIP,由于其性能優(yōu)良、成本低廉，同時(shí)又適于大批量生產(chǎn)而成為這一階段的主流產(chǎn)品。階段二（20世紀(jì)80年代-90年代）：從通孔插裝型封裝向表面貼裝型封裝的轉(zhuǎn)變，從平面兩邊引線型封裝向平面四邊引線型封裝發(fā)展。表面貼裝技術(shù)被稱為電子封裝領(lǐng)域的一場革命，得到迅猛發(fā)展。與之相適應(yīng)，一些適應(yīng)表面貼裝技術(shù)的封裝形式，如塑料有引線片式裁體（PLCC）、塑料四邊引線扁平封裝（PQFP）、塑料小外形封裝（PSOP）以及無引線四邊扁平封裝（PQFN）等封裝形式應(yīng)運(yùn)而生，迅速發(fā)展。其中的PQFP，由于密度高、引線節(jié)距小、成本低并適于表面安裝，成為這一時(shí)期的主導(dǎo)產(chǎn)品。階段三（20世紀(jì)90年代）：半導(dǎo)體發(fā)展進(jìn)入超大規(guī)模半導(dǎo)體時(shí)代，特征尺寸達(dá)到0.18-0.25μm，要求半導(dǎo)體封裝向更高密度和更高速度方向發(fā)展。因此，半導(dǎo)體封裝的引線方式從平面四邊引線型向平面球柵陣列型封裝發(fā)展，引線技術(shù)從金屬引線向微型焊球方向發(fā)展。在此背景下，焊球陣列封裝（BGA）獲得迅猛發(fā)展，并成為主流產(chǎn)品。BGA按封裝基板不同可分為塑料焊球陣列封裝（PBGA），陶瓷焊球陣列封裝（CBGA），載帶焊球陣列封裝（TBGA），帶散熱器焊球陣列封裝(EBGA)，以及倒裝芯片焊球陣列封裝（FC-BGA）等。為適應(yīng)手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品小、輕、薄、低成本等需求，在BGA的基礎(chǔ)上又發(fā)展了芯片級封裝（CSP）;CSP又包括引線框架型CSP、柔性插入板CSP、剛性插入板CSP、園片級CSP等各種形式，目前處于快速發(fā)展階段。階段四（20世紀(jì)末開始）：主要是多芯片組件(MCM)、系統(tǒng)級封裝(SiP)、三維立體封裝(3D)。典型封裝形式有:多層陶瓷基板(MCM-C)、多層薄膜基板(MCMD)、多層印制板(MCM-L)。階段五（21世紀(jì)前十年開始）：主要是系統(tǒng)級單芯片封裝(SoC)、微電子機(jī)械系統(tǒng)封裝(MEMS)。目前,全球半導(dǎo)體封裝的主流正處在第三階段的成熟期與快速發(fā)展期,以CSP和BGA等主要封裝形式進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)期,同時(shí)也在向第四、第五階段發(fā)展。近年各大廠商陸續(xù)將先進(jìn)封裝視為關(guān)鍵技術(shù)，例如臺(tái)積電推出了CoWoS封裝（ChiponWaferonSubstrate）、InFO封裝（IntegratedFan-Out，整合扇出型）、SoIC封裝（SystemonIntegratedChips，系統(tǒng)整合芯片）等，英特爾推出了EMIB、Foveros和Co-EMIB等封裝技術(shù)，三星也推出了FOPLP封裝（Fan-OutPanelLevelPackage，扇出型面板封裝），大方向是通過2.5D、3D和埋入式等3種異質(zhì)集成形式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)帶寬翻倍和功耗減半的目標(biāo)，增強(qiáng)性能的同時(shí)能夠取得性價(jià)比。（二）從引線鍵合到混合鍵合，鍵合工藝不斷發(fā)展封裝工藝的演進(jìn)對鍵合工藝和設(shè)備的精確度和能量控制要求越來越高。實(shí)現(xiàn)IC芯片的互聯(lián)技術(shù)中，傳統(tǒng)的三級封裝（芯片級封裝，基板級封裝和母版封裝）逐漸被系統(tǒng)級封裝SIP取代，但無論封裝的方式如何演變，在芯片的封裝過程中離不開一道貼裝工藝。從上世紀(jì)70年代起，鍵合工藝的發(fā)展經(jīng)歷了引線鍵合、倒裝、熱壓貼合、扇出型封裝和混合鍵合，連接方式從最初的引線鍵合到錫球再到銅-銅鍵合，單位面積連接密度也提高了超過2000倍。在此背景下，不斷迭代的封裝工藝對鍵合設(shè)備提出了更高的要求：鍵合機(jī)的精確度從20微米提升至0.1微米，單位能量從10pJ/bit變動(dòng)至小于0.05pJ/bit，這就對鍵合機(jī)的運(yùn)動(dòng)精確度和能量控制精細(xì)度提出了更高的要求。（1）引線鍵合（WireBonding）引線鍵合是把金屬引線連接到焊盤上的一種方法，即是把內(nèi)外部的芯片連接起來的一種技術(shù)。從結(jié)構(gòu)上看，金屬引線在芯片的焊盤（一次鍵合）和基板焊盤（二次鍵合）之間充當(dāng)著橋梁的作用，電信號(hào)通過金屬引線在芯片和基板之間進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)信息的輸入和輸出。從原理來看，引線鍵合通過加熱加壓或超聲波振動(dòng)等方式提供能量，破壞焊盤表面氧化層和污染層，從而讓金屬引線與焊點(diǎn)之間形成原子擴(kuò)散的致密層，以此來實(shí)現(xiàn)牢固的連接。在整個(gè)引線鍵合工藝完成后，會(huì)使用樹脂等材質(zhì)對整個(gè)芯片產(chǎn)品進(jìn)行包裹塑封，起到保護(hù)內(nèi)部電路、增強(qiáng)散熱表現(xiàn)的作用。作為最早提出的芯片鍵合方式，引線鍵合被廣泛應(yīng)用于SIP、DIP、QFP等早期封裝技術(shù)中，在傳統(tǒng)封裝中應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)《集成電路鍵合工藝研究》（葛元超），按照將金屬引線連接到焊盤的方法，引線鍵合可以分為熱壓法，超聲波法和熱超聲波法，分別對應(yīng)中高、弱、高三種焊合強(qiáng)度。1.熱壓法（Thermo-compressionMethod）：將焊盤和金屬絲通過加熱、加壓方式使原子間達(dá)到引力區(qū)間，從而進(jìn)行連接的方法。工藝實(shí)現(xiàn)過程中，需要提前將芯片焊盤的溫度加熱到200℃左右，再提高毛細(xì)管劈刀尖端的溫度，使其變成球狀，通過毛細(xì)管劈刀向焊盤施加壓力，從而將金屬引線連接到焊盤上。熱壓法是最早的鍵合技術(shù)，但目前此方式已很少使用。2.超聲波法(UltrasonicMethod)：指在楔形劈刀（與毛細(xì)管劈刀類似）上施加超聲波使其發(fā)生水平振動(dòng)，從而使金屬引線在焊盤迅速摩擦發(fā)生形變，并實(shí)現(xiàn)緊密連接的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝和材料成本低，可以在常溫下進(jìn)行；但由于超聲波法主要利用金屬絲形變的物理變化代替了加熱和加壓的化學(xué)變化過程，因此鍵合拉伸強(qiáng)度（連線后拽拉引線時(shí)的承受能力）相對較弱，容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。3.熱超聲波法（Thermosonic）：是以超聲波能量作用，外加熱源進(jìn)行鍵合的形式，這種方式融合了熱壓和超聲焊的優(yōu)點(diǎn)，通過超聲的作用將焊盤表面的一般氧化層去除，然后在焊接界面加熱，使原子間互相擴(kuò)散形成致密層。在整個(gè)過程中，基板溫度一般控制在120-240攝氏度之間，由于是低溫加熱，這種方式可以有效抑制金屬間化合物的生產(chǎn)，使得鍵合可靠性大大提升。在半導(dǎo)體的后端工藝中，相比成本，鍵合的強(qiáng)度更加重要，因此盡管這一方法的成本相對較高，但熱超聲波法是最廣泛采用的鍵合方法。以最常使用的“熱超聲波金絲球鍵合法”為例，熱超聲波法分為引線連接芯片和引線連接基板兩個(gè)鍵合階段。一次鍵合（引線連接芯片）過程如下：金絲穿過毛細(xì)管劈刀正中央的小孔，提高金絲末端的溫度，金絲融化后形成金絲球（GoldBall），打開夾持金屬絲的夾鉗（用于收放金屬引線），施加熱、壓力和超聲波振動(dòng)，當(dāng)毛細(xì)管劈刀接觸焊盤時(shí)，形成的金絲球會(huì)粘合到加熱的焊盤上。完成一次球鍵合后，將毛細(xì)管劈刀提升到比預(yù)先測量的環(huán)路高度略高的位置，并移動(dòng)到二次鍵合的焊盤上，就會(huì)形成一個(gè)引線環(huán)（loop）。二次鍵合（引線連接基板）過程如下：向毛細(xì)管劈刀施加熱、壓力和超聲波振動(dòng)，并將第二次形成的金絲球碾壓在PCB焊盤上，完成針腳式鍵合。針腳式鍵合后，當(dāng)引線連續(xù)斷裂時(shí)，進(jìn)行拉尾線（TailBonding），以形成一尾線。之后，收緊毛細(xì)管劈刀的夾鉗（即夾住引線）、斷開金屬引線，結(jié)束二次金絲球鍵合。引線鍵合可按材料進(jìn)行分類，常見材質(zhì)包括金、銀、銅和鋁。目前來看，常用于引線鍵合的材料有金、銅、鋁。其中，金線早期滲透率較高，滲透率最高，因?yàn)槠鋵?dǎo)電性好，且化學(xué)性很穩(wěn)定，耐腐蝕能力也很強(qiáng)。但金線價(jià)格較高，且容易造成塌絲、拖尾和老化現(xiàn)象。隨著經(jīng)濟(jì)性需求提升，如何在穩(wěn)定，甚至提高鍵合性能的同時(shí)降低成本，成為引線鍵合要選擇攻克的難關(guān)之一。銅線因?yàn)槌杀镜?，機(jī)械強(qiáng)度高，焊接后線弧具有良好穩(wěn)定性，也被廣泛應(yīng)用于大電流設(shè)備中。但銅線容易氧化硫化，需要?dú)怏w保護(hù)且鍵合點(diǎn)容易開裂；鋁線經(jīng)濟(jì)性較好，主要用于高溫封裝（如Hermetic）或超聲波法等無法使用金絲的地方，但由于鋁線鍵合設(shè)備較貴，目前主要局限于功率器件、微波器件和光電器件封裝中。（2）倒裝鍵合（FlipChip）倒裝鍵合是通過在芯片頂部形成的凸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣和機(jī)械連接。與傳統(tǒng)引線鍵合一樣，倒片封裝技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)芯片與基板電氣連接的互連技術(shù)。然而對比引線鍵合，倒裝鍵合（1）擁有更多的連接密度：引線鍵合只能圍繞芯片四周進(jìn)行引線連接，對于可進(jìn)行電氣連接的輸入/輸出（I/O）引腳的數(shù)量和位置有限制，而倒裝鍵合可以在整個(gè)芯片正面植球，可以顯著提高連接密度；（2）信號(hào)傳輸路徑更短：倒裝鍵合直接利用凸塊（Bump）進(jìn)行電信號(hào)傳輸，傳輸路徑遠(yuǎn)短于引線鍵合，可以帶來更快的計(jì)算傳輸能力。因此，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，倒裝鍵合技術(shù)憑借其優(yōu)越的電氣性能和空間利用率，成為了主流鍵合技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封裝。倒裝鍵合主要工藝分為兩種類型：間接鍵合和直接鍵合。間接鍵合指鍵合過程中芯片與基板之間有中間材料，以批量回流焊工藝（MassReflow，MR）和熱壓鍵合工藝（ThermoCompression，TC）為主，分別對應(yīng)錫球和微銅柱凸點(diǎn)連接。批量回流焊工藝通過在高溫下熔化接合處的錫球，將芯片與基板連接在一起；而熱壓鍵合工藝則通過向接合處施加熱量和壓力，利用更小的微銅柱凸點(diǎn)互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的連接。直接鍵合又稱混合鍵合，是指直接通過金屬銅的擴(kuò)散相互連接，無需中間材料（混合鍵合會(huì)在下文進(jìn)行詳細(xì)介紹）。倒裝鍵合凸點(diǎn)制作工藝是關(guān)鍵。芯片凸點(diǎn)（Bump）是FC互連中的關(guān)鍵組成部分之一，具有在芯片與基板間形成電連接、形成芯片與基板間的結(jié)構(gòu)連接以及為芯片提供散熱途徑三個(gè)主要功能。最早的凸塊是由IBM公司于1970年代推出的可控塌陷芯片連接技術(shù)(Controlled-collapseChipConnection，即C4技術(shù))，C4Bump可以滿足具有更細(xì)密焊盤的芯片的倒裝焊要求。隨著電子器件體積的不斷減小以及I/O密度的不斷增加，傳統(tǒng)球形C4Bump在間距縮小時(shí)容易出現(xiàn)橋接問題，因此帶焊帽銅柱（Cupillarwithsoldercap，C2Bump）應(yīng)運(yùn)而生，C2技術(shù)中使用的Cu柱直徑不受高度影響，可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)節(jié)距凸點(diǎn)的制備。與此同時(shí)，凸點(diǎn)焊料也逐漸向無鉛化、銅化方向發(fā)展，目前主流的焊料為銅柱和SnAg。UBM層制作：在芯片表面金屬層上制備芯片凸點(diǎn)時(shí)，并不是直接在芯片表面制作的。為了防止封裝中的金屬及污染離子向芯片表面金屬層擴(kuò)散造成腐蝕或形成硬脆的金屬間化合物、降低互連系統(tǒng)的可靠性，需要在芯片表面金屬層與芯片凸點(diǎn)之間添加凸點(diǎn)下金屬化層(UnderBumpMetallurgy，UBM)結(jié)構(gòu)作為過渡層。UBM結(jié)構(gòu)包括覆蓋在芯片金屬層上的粘接層、阻擋層、潤濕層和抗氧化層。其中，粘接層能夠增強(qiáng)凸點(diǎn)和芯片金屬化層、芯片鈍化層之間的粘接力，提供牢固的鍵合界面，典型的粘接層材料有Cr、Ti、Ni、W、TiW和鋅酸鹽等。阻擋層的作用是防止金屬、污染離子向芯片金屬層和粘接層擴(kuò)散，阻擋層材料常采用Cr、W、Ti、TiW、Ni或Cr-Cu。阻擋層上面是潤濕層，可以為其上的凸點(diǎn)提供潤濕對象，與凸點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)生成IMC并形成鍵合，典型的潤濕層金屬有Cu、Ni、Pd和Pt。UBM的最外層是可選擇使用的抗氧化層，目的是防止?jié)櫇駥拥难趸?，主要材料為很薄的Au層。C4Bump制作流程：最早的FC晶圓C4凸點(diǎn)制造技術(shù)是IBM公司開發(fā)的蒸鍍工藝，而目前最常用的方法是電鍍（電化學(xué)沉積）工藝，成本效益好、良率高、速度快且凸點(diǎn)密度高。流程主要包括（1）采用濺射方法沉積UBM；（2）在UBM層上涂覆光刻膠，使用掩模板進(jìn)行紫外線曝光，定義凸點(diǎn)的位置和形狀；（3）在凸點(diǎn)位置電鍍一層Cu作為潤濕層，然后電鍍焊料形成bump柱體；（4）剝離光刻膠并用過氧化氫或等離子蝕刻去除其他位置多余的UBM；（5）對晶圓進(jìn)行回流，在表面張力的作用下形成光滑的球型C4焊料凸點(diǎn)。C2Bump制作流程：相比C4Bump，C2Bump使用平整側(cè)面、高深寬比的銅柱凸點(diǎn)和尺寸更小的微銅柱凸點(diǎn)，與圓形焊錫凸點(diǎn)相比，更能實(shí)現(xiàn)小間距，非常適合大型的芯片和I/O個(gè)數(shù)多(800個(gè)以上)的芯片。C2Bump的制作流程與C4相似，主要區(qū)別在于電鍍過程中C4是電鍍焊料形成bump柱體，而C2則是電鍍銅形成Cu柱體，然后再在銅柱頂端電鍍一層焊料帽。1.批量回流焊工藝批量回流焊主要用于C4Bump的鍵合加工。批量回流焊用于倒裝芯片組裝已有近50年的歷史，大多數(shù)焊料C4Bump是在硅、陶瓷或有機(jī)襯底上批量回流的，裝配過程較為簡單：（1）將模具浸入助焊劑容器中，或根據(jù)產(chǎn)品在基底上分配助焊劑；（2）通過視覺定位系統(tǒng)將芯片Bump與基板的焊盤對齊；（3）將C4Bump芯片放置在基板上，提高溫度進(jìn)行回流焊，在表面張力作用下芯片Bump和基板會(huì)發(fā)生自對準(zhǔn)并形成冶金結(jié)合；（4）鍵合完成之后清洗助焊劑，并在空隙中填入填充材料（各類聚合物）并固化，用以平衡芯片和基板之間因熱膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的應(yīng)力。批量回流焊優(yōu)缺點(diǎn)明顯。根據(jù)合明科技，通常單個(gè)芯片回流焊的時(shí)間在5-10分鐘，雖然時(shí)間很長，但因一個(gè)回流焊爐同時(shí)可以容納非常大量的加工產(chǎn)品，所以批量處理下整體的吞吐量非常高，通?？梢赃_(dá)到每小時(shí)幾千顆芯片的產(chǎn)量。同時(shí)，由于，C4焊料凸點(diǎn)在熔融過程中的表面張力還可以幫助焊料與金屬層進(jìn)行自對準(zhǔn)，在一定程度上降低了對沉積精度及貼片精度的要求。但是，常見的回流焊過程中不對芯片和基板做過多限制，這導(dǎo)致加熱過程中芯片和基板的曲翹得不到有效的控制，使得在芯片與基板之間的距離在芯片面下的變化非常大。過大的曲翹導(dǎo)致NCO（noncontactedopening虛焊）和SBB（solderballbridging橋接）這兩類最為常見的缺陷。特別是基于回流焊的復(fù)雜多芯片，鍵合的良品率可能非常的低，使得在先進(jìn)封裝中回流焊不再是最合適的鍵合方式。2.熱壓鍵合工藝（TCB）在高密度和超細(xì)間距倒裝芯片組裝中運(yùn)用熱壓鍵合C2的方式主要有低鍵合力和高鍵合力兩種。低鍵合力的C2凸點(diǎn)熱壓鍵合較為簡單，過程如下:（1）在焊料蓋、基板或兩者表面都涂覆助焊劑；（2）將FC拾取并對準(zhǔn)放置在基板上，施加較小的壓力將芯片固定在離底部芯片或基板一定距離的位置，施加溫度熔化焊帽形成鍵合；（3）清洗后加入填充材料填補(bǔ)間隙。但隨著堆疊密度的不斷提升，填充材料的毛細(xì)流動(dòng)性越來越低，會(huì)帶來可靠性問題。高壓應(yīng)力C2TCB則必須結(jié)合NCP（非導(dǎo)電膠）或NCF（非導(dǎo)電膜）底部填充技術(shù)。根據(jù)《StatusandOutlooksofFlipChipTechnology》（JohnH.Lau），NCP填充技術(shù)在鍵合前就在基板上預(yù)涂低粘度的NCP，具有出色的助熔性，有助于形成完整性出色的焊點(diǎn)；NCF則更適合厚度更低的晶圓級封裝，直接在晶圓上覆蓋一層非導(dǎo)電膜，切片過后直接將帶有非導(dǎo)電膜的芯片與基板鍵合。因?yàn)榉菍?dǎo)電膠膜采用超細(xì)填膠配方，不僅適用于極細(xì)的毛細(xì)空間，而且還具有更好的流動(dòng)性，有利于填角控制，從而實(shí)現(xiàn)緊密的芯片貼裝。相比批量回流焊，TCB的優(yōu)點(diǎn)在于對芯片和基板可以實(shí)現(xiàn)更好的控制，缺點(diǎn)在于產(chǎn)量效率不高。根據(jù)《FundamentalsofThermalCompressionBondingTechnologyandProcessMaterialsfor2.5/3DPackages》（SangilLee），TCB鍵合設(shè)備在基板和芯片都有各自的加熱裝置，基板和芯片同樣被真空束縛在非常平整的BondHead上，從而最大限度地減少硅芯片和基板的翹曲。同時(shí)，TCB的步驟較為簡單，工序少于回流焊。但與回流焊相比，C2凸點(diǎn)的熱壓鍵合只能進(jìn)行單個(gè)芯片的封裝，且需要冷卻和加熱過程，因此封裝效率較低。最快的回流焊芯片貼片機(jī)可在0.5s內(nèi)完成一個(gè)倒裝芯片鍵合周期，產(chǎn)量效率為7200UPH，而TCB工藝即使使用理想的設(shè)備和材料，所需的時(shí)間也可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過倒裝芯片（例如英特爾和ASM報(bào)告的最快TCB過程為5秒，產(chǎn)量效率為成720UPH）；同時(shí)因?yàn)橥裹c(diǎn)直徑的減少，整個(gè)鍵合過程對設(shè)備的貼裝精度提出了更高要求（往往需要精度達(dá)到5μm以上）。微凸塊是連接TSV的關(guān)鍵途徑。TSV（硅通孔）技術(shù)通過在芯片與芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，可以實(shí)現(xiàn)不同芯片之間的垂直電氣互聯(lián)，是目前主要的垂直電互聯(lián)技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)3D先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。TSV堆疊鍵合的工藝流程主要分為：（1）對晶圓刻蝕、電鍍、拋光以制作TSV；（2）重布線后在晶圓正面制作微凸塊，并利用臨時(shí)鍵合技術(shù)保護(hù)晶圓正面；（3）對晶圓背面進(jìn)行減薄以顯露TSV，并對背面進(jìn)行凸塊制作；（4）解鍵合正面的保護(hù)層，隨后將各層芯片通過倒裝方式鍵合連接。其中，目前各層TSV之間的主要連接方式依然是微凸塊（Mircobump）。MR-MUF和TC-NCF鍵合是目前主流的HBM堆疊鍵合工藝。在HBM2E之前，海力士一直采用TC-NCF來完成HBM中各層DRAM的垂直鍵合，但由于TCB工藝需要對每一層DRAM單獨(dú)進(jìn)行鍵合，整體生產(chǎn)效率不高，所以海力士在HBM2E中重新采用了一種批量回流焊中的MR-MUF技術(shù)。MR-MUF是海力士的高端封裝工藝，能有效提高導(dǎo)熱率，并改善工藝速度和良率。MR-MUF具體步驟為：（1）芯片的微凸塊粘上焊劑，并完成軸向鍵合堆疊；（2）一次熔化所有的微凸點(diǎn)焊劑并施壓，微凸點(diǎn)軸向變短，冷卻后即完成芯片和電路連接；（3）采用環(huán)氧樹脂模塑料在芯片之間或基板之間的間隙填充，同時(shí)進(jìn)行絕緣和成型。MR-MUF工藝的核心在于解決堆疊芯片過程中產(chǎn)生的熱翹曲問題，以及芯片中間部位的空隙填充。上文中講到，批量回流焊技術(shù)不適用于高密度封裝的主要原因是填充材質(zhì)在毛細(xì)空間的流動(dòng)性問題，容易在填充時(shí)產(chǎn)生空洞影響可靠性。而海力士的MR-MUF工藝?yán)铆h(huán)氧樹脂模塑料（EMC）作為填充劑，本身具備可中低溫固化、低翹曲、低吸水率以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，通過調(diào)試可以解決熱收縮差異問題。另外，通過改變EMC與芯片的初始對齊方式也能有效解決填充存在縫隙的問題。MR-MUF相比TC-NCF能有效提升堆疊鍵合的良率和效率，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）MR-MUF無需借助高溫和外力完成凸點(diǎn)進(jìn)入非導(dǎo)電薄膜，而該過程可能導(dǎo)致芯片翹曲；（2）MR-MUF工藝可以在空隙階段完成，無需專門的工藝流程安排，鍵合效率更高；（3）芯片翹率控制的關(guān)鍵在于非濕區(qū)域占比，MR-MUF工藝的填充材料是最后加入的，在升溫施壓時(shí)不會(huì)因?yàn)樘畛洳牧峡张菰斐蓧毫Σ痪酒N曲。且環(huán)氧樹脂模塑料的導(dǎo)熱率是非導(dǎo)電薄膜的4倍，散熱效率也更高。（3）混合鍵合（HybridBonding）隨著摩爾定律逐漸進(jìn)入其發(fā)展軌跡的后半段，芯片產(chǎn)業(yè)越來越依賴先進(jìn)的封裝技術(shù)來推動(dòng)性能的飛躍。在封裝技術(shù)由平面走向更高維度的2.5D和3D時(shí)，互聯(lián)技術(shù)成為關(guān)鍵中關(guān)鍵。面對3D封裝日益增長的復(fù)雜性和性能要求，傳統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)如引線鍵合、倒裝芯片鍵合等，正逐步顯露其局限。盡管TSV通過熱壓鍵合等技術(shù)目前可以實(shí)現(xiàn)高效的芯片堆疊互聯(lián)，但由于每一層互連都要經(jīng)歷再布線，工藝復(fù)雜，界面數(shù)量過多，分層失效發(fā)生的可能性較大，失效的概率會(huì)隨著堆疊層數(shù)的增加而成倍增長，在可靠性上限制了3D堆疊的層數(shù)。在這種背景下，混合鍵合技術(shù)以其革命性的互聯(lián)潛力，正成為行業(yè)的新寵。混合鍵合（HybridBonding，或稱為直接鍵合），是通過銅-銅金屬鍵合或二氧化硅-二氧化硅介質(zhì)層鍵合，來實(shí)現(xiàn)無凸點(diǎn)永久鍵合的芯片三維堆疊高密度互聯(lián)技術(shù)?；旌湘I合可以實(shí)現(xiàn)極小間距的芯片焊盤互聯(lián)，可以提供更高的互聯(lián)密度、更小更簡單的電路、更大的帶寬、更小的電容和更低的功耗?；旌湘I合的具體加工步驟為：（1）對晶圓接觸面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨及清洗，保證接觸面的平整（平整度小于5nm）和表面無污染（影響鍵合良率）；（2）將兩片晶圓的銅微凸點(diǎn)面對面對齊，并通過鍵合頭施壓將芯片間的氧化物貼到一起，這一步無需加熱，屬于室溫鍵合；（3）升高溫度，使得連接點(diǎn)的金屬銅融化膨脹形成接觸結(jié)合。在高溫和施壓下銅凸點(diǎn)最終因?yàn)榉兜氯A力結(jié)合在一起，形成電信號(hào)連通?；旌湘I合主要有兩種應(yīng)用方式，W2W應(yīng)用較為成熟，D2W前景更廣。第一種混合鍵合方式是晶圓到晶圓（W2W，WafertoWafer），主要用于CIS和NAND產(chǎn)品。作為異構(gòu)集成的核心工藝，W2W混合鍵合已經(jīng)在CMOS圖像傳感器和各種存儲(chǔ)器、邏輯技術(shù)方面獲得良好的成功記錄。銅-銅混合鍵合最早出現(xiàn)在2016年，當(dāng)時(shí)索尼將這項(xiàng)技術(shù)用于CMOS圖像傳感器，在堆疊的CMOS圖像傳感器的下部電路芯片和上部像素芯片之間利用銅混合鍵合。另一種是裸片到晶圓（D2W，DietoWafer），可以實(shí)現(xiàn)不同芯片種類的相互連接。由于封裝過程中許多小芯片的尺寸不一定相同，因此D2W混合鍵合方法被認(rèn)為是在晶圓襯底上進(jìn)行存儲(chǔ)芯片、高性能計(jì)算芯片和光子等異構(gòu)芯片互聯(lián)的必要工藝。這種鍵合技術(shù)由于結(jié)合的芯片結(jié)構(gòu)各不相同，需要在流程中引入多次刻蝕、沉積、電鍍、CMP等步驟，因此技術(shù)難度遠(yuǎn)比W2W混合鍵合要高，目前還沒有成熟的量產(chǎn)成果，但這種工藝變化對于邏輯和高帶寬內(nèi)存(HBM)的進(jìn)一步迭代很有意義。D2W目前分為兩種解決方案：Co-D2W（集成式D2W）和DP-D2W（直接放置D2W）。Co-D2W和DP-D2W都有各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中Co-D2W是研究較早的技術(shù)，已經(jīng)經(jīng)歷了多年的研究小批量生產(chǎn)驗(yàn)證，是目前看來較為成熟的技術(shù)路徑；DP-D2W的方法和倒裝鍵合類似，可以直接使用倒裝鍵合機(jī)，通用性較強(qiáng)，但面對DRAM等多層堆疊結(jié)構(gòu)時(shí)芯片處理有一定難度。Co-D2W（集成式D2W）：Co-D2W鍵合是指在單個(gè)工藝步驟中將多個(gè)晶片一次轉(zhuǎn)移到最終晶圓上。Co-D2W鍵合工藝的制造流程包括四個(gè)主要部分：晶片載體制備、載體填充（在載體上放置晶片）、晶圓鍵合和載體分離。先將Die臨時(shí)鍵合在載體晶圓上，然后將載體晶圓和目標(biāo)晶圓進(jìn)行W2W混合鍵合，鍵合完成后再將載體晶圓和Die解鍵合，從而實(shí)現(xiàn)Die與目標(biāo)晶圓的混合鍵合。在過去幾年中，Co-D2W鍵合技術(shù)已經(jīng)在硅電子學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用中得到了小批量生產(chǎn)驗(yàn)證。DP-D2W（直接放置D2W）：用于異構(gòu)集成的另一種混合D2W鍵合方法是DP-D2W鍵合，主要使用拾放式倒裝芯片鍵合機(jī)將晶片逐一單獨(dú)鍵合到目標(biāo)晶圓上。DP-D2W鍵合工藝的制造流程包括三個(gè)主要部分：載體填充（在載體上放置晶片，為清潔做準(zhǔn)備）、晶片清潔和活化、直接貼裝倒裝芯片。切割好的Die會(huì)被先放置到一塊載體晶圓上進(jìn)行清洗活化，隨后由倒裝鍵合機(jī)將對應(yīng)的Die逐顆放置到目標(biāo)晶圓上進(jìn)行鍵合。盡管DP-D2W比Co-D2W提供了更高的靈活性，特別是在高帶寬內(nèi)存的多模堆疊方面，但在清潔度和激活方面的挑戰(zhàn)與任何融合結(jié)合技術(shù)都是相同的?；旌湘I合的主要優(yōu)勢源自銅-銅鍵合的制程簡潔性。相比倒裝等依賴焊料的技術(shù)，混合鍵合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）可以實(shí)現(xiàn)芯片之間無凸點(diǎn)互連，微凸點(diǎn)的取消將進(jìn)一步降低芯片之間通道的寄生電感和信號(hào)延時(shí)；（2）實(shí)現(xiàn)芯片之間超細(xì)間距的互連，比微凸點(diǎn)提高10倍以上，超細(xì)間距的互連將增加布線有效使用面積，大幅增加通道數(shù)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理串并轉(zhuǎn)換，簡化I/O端口電路，增大帶寬；（3）實(shí)現(xiàn)超薄芯片制備，通過芯片減薄可使芯片厚度和重量大幅降低，并且可進(jìn)一步提升系統(tǒng)中芯片的互連帶寬；（4）實(shí)現(xiàn)鍵合可靠性的提高，銅—銅觸點(diǎn)間以分子尺度融合，取消了焊料連接，二氧化硅—二氧化硅以分子共價(jià)鍵鍵合取消了底填材料，極大提高了界面鍵合強(qiáng)度，增強(qiáng)了芯片的環(huán)境適應(yīng)性?；旌湘I合技術(shù)相比微凸點(diǎn)更具優(yōu)勢，有望成為下一代HBM鍵合工藝。與目前使用微凸點(diǎn)連接TSV的技術(shù)相比，混合鍵合減少了層間物理連接的需求，使芯片設(shè)計(jì)更緊湊，有利于實(shí)現(xiàn)更高性能和密度。其次，混合鍵合還可減少芯片內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力，減少信號(hào)傳輸距離，提高產(chǎn)品的整體可靠性，同時(shí)支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的能耗。根據(jù)韓媒BussinessKorea報(bào)道，全球HBM龍頭公司SK海力士在2023年12月于美國舉行的全球半導(dǎo)體會(huì)議IEDM2023上宣布，公司已驗(yàn)證了HBM制造中使用的混合鍵合工藝的可靠性，雖然此次工藝驗(yàn)證僅用于HBM2E，產(chǎn)品要求遠(yuǎn)低于HBM4規(guī)格，但這在向外部展示混合鍵合的潛力方面具有重要意義。一般來說單顆HBM芯片的標(biāo)準(zhǔn)厚度為720μm，而第6代HBM（HBM4）預(yù)計(jì)將于2026年左右量產(chǎn)，需要垂直堆疊16個(gè)DRAM，這對于當(dāng)前的封裝技術(shù)來說具有挑戰(zhàn)性，在未來HBM的I/O密度不斷提升以及層高數(shù)量需求不斷增加的趨勢下，混合鍵合工藝將更具應(yīng)用前景。臺(tái)積電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)混合鍵合商業(yè)化，現(xiàn)已應(yīng)用于AMD的3DV-Cache技術(shù)。臺(tái)積電TSMC發(fā)布名為SoIC的三維集成工藝，是業(yè)界第一款邏輯-邏輯、存儲(chǔ)器-邏輯的3D集成工藝。SoIC技術(shù)能夠?qū)⒉煌に嚬?jié)點(diǎn)、材料、功能和尺寸的芯片進(jìn)行堆疊，設(shè)計(jì)和集成更加靈活，使系統(tǒng)能夠以更低的成本和更好的性能進(jìn)行擴(kuò)展；且SoIC不再使用凸點(diǎn)進(jìn)行芯片間的連接，轉(zhuǎn)為表面更為平整的混合鍵合進(jìn)行連接，因此無須再進(jìn)行層間縫隙填充。根據(jù)《HybridBondingMovesIntoTheFastLane》（LauraPeters），與傳統(tǒng)采用μ-bump的3DIC集成方式相比，SoIC能夠提供更高的I/O鍵合密度，并且實(shí)現(xiàn)更低的功耗、更低的RC延遲、IR壓降和更低的熱阻。基于SoIC-WoW混合鍵合工藝，AMD推出了3DV-Cache技術(shù)，運(yùn)用于游戲處理器AMD銳龍7000X3D系列以及HPC服務(wù)器級別處理器中，相比MicroBump3D，互聯(lián)密度提高15倍，互聯(lián)能效提高3倍?；旌湘I合將逐步滲透邏輯、存儲(chǔ)、移動(dòng)端應(yīng)用處理器（SoC）場景，有望迎來爆發(fā)性的增量空間。根據(jù)Besi，混合鍵合技術(shù)在邏輯芯片領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將在24年迎來新一輪的需求高峰；隨著越來越多的存儲(chǔ)廠商參與HBM項(xiàng)目，轉(zhuǎn)向使用混合鍵合技術(shù)以及消費(fèi)應(yīng)用端對于高帶寬的需求不斷加強(qiáng)，中性預(yù)測下混合鍵合系統(tǒng)保有量有望在2030年達(dá)到1400臺(tái)。（3）臨時(shí)鍵合/解鍵合臨時(shí)鍵合/解鍵合主要是為了解決超薄晶圓易損問題。為滿足TSV和三維堆疊型3D集成制造需求，往往需要將晶圓厚度減薄到100μm以下。而超薄器件晶圓機(jī)械強(qiáng)度降低，容易翹曲和起伏，易造成器件性能降低、產(chǎn)品均一性變差、生產(chǎn)過程中碎片率增加等問題，為了解決超薄晶圓的取放問題，業(yè)界通常采用臨時(shí)鍵合與解鍵合技術(shù)。臨時(shí)鍵合一般有臨時(shí)熱壓鍵合和UV固化兩種方式。臨時(shí)鍵合首先要將臨時(shí)鍵合膠通過旋涂或噴涂方式在器件晶圓和載片表面均勻涂布，隨后依靠熱壓臨時(shí)鍵合或UV固化臨時(shí)鍵合方式，使載片和晶圓鍵合牢固。熱壓臨時(shí)鍵合是在高溫、真空的鍵合室內(nèi)對疊放在一起的器件晶圓和載片施加一定的力使之達(dá)到良好的鍵合效果；UV固化臨時(shí)鍵合是紫外光透過載片照射到鍵合膠表面發(fā)生反應(yīng)，使載片和器件晶圓鍵合到一起。根據(jù)解鍵合方式的不同，解鍵合主要分為機(jī)械剝離、濕化學(xué)浸泡、熱滑移和激光解鍵合4種方法。機(jī)械解鍵合法是通過拉力作用分離載片和器件晶圓，碎片率較高；熱滑移解鍵合法是通過高溫軟化粘結(jié)劑，之后將器件晶圓與載片分離，粘結(jié)劑易在設(shè)備平臺(tái)殘留，影響后續(xù)產(chǎn)品工藝；化學(xué)解鍵合法是通過溶劑溶解粘結(jié)劑，成本較低，但效率很低，不適合量產(chǎn)。激光解鍵合法是激光透過玻璃對粘結(jié)劑層進(jìn)行照射，產(chǎn)生熱量使粘結(jié)劑分解或產(chǎn)生能量使化學(xué)鍵斷鍵，是目前主要使用的解鍵合方式。激光解鍵合主要是利用激光穿過透明載板，光子能量沉積在光敏響應(yīng)材料層，進(jìn)而誘發(fā)材料的快速分解、汽化甚至等離子化而失去粘性。同時(shí)，快速釋放的分解氣體還會(huì)增大響應(yīng)層界面的分離壓力，從而進(jìn)一步促進(jìn)器件晶圓的自動(dòng)分離。激光解鍵合工藝的工作流程主要包括：（1）在透明剛性載板（如玻璃、藍(lán)寶石等）和器件晶圓表面分別涂上粘結(jié)材料和響應(yīng)材料；（2）將透明剛性載板和器件晶圓通過光或熱等方式鍵合在一起；（3）利用激光透過剛性載板輻照在響應(yīng)材料層引發(fā)燒蝕，從而使器件晶圓分離；（4）清洗器件晶圓和透明剛性載板，其中的載板可以多次重復(fù)使用。激光解鍵合為高端超薄芯片制造過程中的易破損和吞吐量低等困境提供了可行的解決方案。相比其他方式，激光解鍵合法具有可在室溫下解鍵合、高通量、低機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在大尺寸超薄晶圓的制造方面逐漸得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，此外，激光在能量、時(shí)間、空間方面的可選擇范圍很寬，可形成超快、超強(qiáng)、超短等極端物理?xiàng)l件。鑒于激光解鍵合在高應(yīng)力晶圓處理方面具有高度的靈活性，能夠在傳統(tǒng)的后端設(shè)備上進(jìn)行先進(jìn)的封裝流程，例如激光解鍵合的寬工藝窗口更適合應(yīng)用于扇出型晶圓級封裝（FOWLP）。另外激光解鍵合工藝能夠避免表面能、溫度行為和溶劑滲透的依賴性，并與后續(xù)半導(dǎo)體制程工藝相兼容。三、國內(nèi)外半導(dǎo)體鍵合設(shè)備公司梳理（一）先發(fā)優(yōu)勢明顯，海外龍頭占據(jù)高端市場1.BESI：全球先進(jìn)封裝領(lǐng)域固晶/鍵合機(jī)龍頭BESI于1995年在荷蘭成立，是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體后道封裝設(shè)備供應(yīng)商，為全球半導(dǎo)體和電子行業(yè)提供高精度、高生產(chǎn)率和高可靠性的封裝設(shè)備，客戶涵蓋全球領(lǐng)先的Fab廠商、封測代工廠以及電子行業(yè)公司。公司主要產(chǎn)品矩陣包括半導(dǎo)體固晶/鍵合機(jī)（不含引線鍵合機(jī)）、電鍍和塑封設(shè)備，其中，鍵合/固晶機(jī)占到公司2022年收入的79%左右，產(chǎn)品種類涵蓋倒裝鍵合、熱壓鍵合、混合鍵合機(jī)以及樹脂/軟焊料固晶設(shè)備等。公司在固晶/鍵合機(jī)領(lǐng)域主要圍繞先進(jìn)封裝設(shè)備進(jìn)行布局。先進(jìn)封裝固晶/鍵合機(jī)方面，BESI可以提供多模塊固晶機(jī)、倒裝鍵合機(jī)、混合鍵合機(jī)在內(nèi)的多種晶圓鍵合設(shè)備。多模塊固晶機(jī)主要用于功率模組、攝像頭模組等不同模塊的互連，Datacon2200系列產(chǎn)品可以做到組裝精確度3微米、產(chǎn)能效率7000UPH；倒裝鍵合機(jī)Datacon8800FCQuantum系列運(yùn)用回流焊技術(shù)，組裝精確度達(dá)到5微米，產(chǎn)能效率較高，可以實(shí)現(xiàn)最高10000UPH；熱壓鍵合機(jī)Datacon8800TC系列主要用于TSV工藝之中，目前可以做到2微米的精確度和1000UPH的產(chǎn)能效率；混合鍵合機(jī)8800UltraAccurateChiptoWaferHybridBonder運(yùn)用混合鍵合技術(shù)，精準(zhǔn)度可以到達(dá)0.2微米以上，產(chǎn)能效率在1500UPH左右。依靠其高精度的先進(jìn)封裝鍵合機(jī)，BESI幾乎占據(jù)了全球3/4的高端固晶/鍵合機(jī)市場。根據(jù)BESI引用TechInsights數(shù)據(jù)，2022年BESI可觸及設(shè)備（去除引線鍵合機(jī)、切片機(jī)和其他公司不參與生產(chǎn)銷售的后道封裝設(shè)備）市場規(guī)模達(dá)到20億美元，公司市場占有率在32%左右。其中，固晶/鍵合機(jī)市場達(dá)到13億美元，公司市占率約為40%，在更加先進(jìn)的固晶機(jī)領(lǐng)域（安裝精度小于7微米），BESI占據(jù)了全球近74%的份額，是全球高端固晶機(jī)的龍頭企業(yè)。混合鍵合技術(shù)方面，BESI與應(yīng)用材料保持密切合作，共同推進(jìn)混合鍵合設(shè)備研發(fā)升級。自2020年10月以來，Besi和應(yīng)用材料共同在新加坡建立了卓越中心(CoE)，旨在為基于芯片的混合鍵合制定出業(yè)內(nèi)首個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的完整設(shè)備解決方案。依靠應(yīng)用材料對前道后道處理流程的專業(yè)技巧、專用封裝設(shè)備研發(fā)中心和平臺(tái)化設(shè)計(jì)與集成能力，BESI得以對混合鍵合設(shè)備8800UltraAccurateChiptoWaferHybridBonder進(jìn)行了改良升級。根據(jù)BESI介紹，目前8800UltraAccurateC2W改良款精確度相比原版0.2微米提升到了0.122μm，產(chǎn)量效率也從1500UPH提升至2000UPH，意味著可以給客戶帶來更先進(jìn)的性能和更高的產(chǎn)能效率。受下游資本開支周期影響，營收規(guī)模波動(dòng)上升。公司2019-2023年?duì)I收和凈利潤C(jī)AGR分別約為12.89%和21.51%，整體呈現(xiàn)上漲態(tài)勢。2023年公司實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入6.35億美元，同比下降19.92%；實(shí)現(xiàn)凈利潤1.94億美元，同比下滑26.41%，主要原因系半導(dǎo)體行業(yè)需求疲軟，短期內(nèi)下游資本開支放緩導(dǎo)致。定位高端封裝設(shè)備，盈利水平出色。BESI主要從事高端半導(dǎo)體后道固晶/鍵合設(shè)備的生產(chǎn)與銷售，順應(yīng)先進(jìn)封裝發(fā)展趨勢，整體毛利率較高。2023年，公司毛利率和凈利率分別達(dá)到44.81%和15.24%，均呈現(xiàn)出穩(wěn)重向上的態(tài)勢。隨著先進(jìn)封裝占比不斷提高，公司有望持續(xù)受益。公司的收入結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定。從收入結(jié)構(gòu)來看，公司主要的銷售收入來源于先進(jìn)封裝固晶機(jī)，2023年占比達(dá)到76.81%；其次是塑封機(jī)和電鍍機(jī)，分別達(dá)到17.35%和5.85%，整體來看公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。2.ASMPT：先進(jìn)封裝設(shè)備的行業(yè)領(lǐng)先者ASMPT（ASMPacificTechnology）成立于1975年，成立初期是作為荷蘭ASMInternational（ASMI）公司在亞太地區(qū)的經(jīng)銷商；1980年和1981年，ASMPT連續(xù)收購了線機(jī)制造公司FICO和引線框架電鍍公司，逐步成為半導(dǎo)體封裝設(shè)備供應(yīng)商。目前ASMPT總部位于新加坡，已經(jīng)發(fā)展成為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體和電子制造硬件和軟件解決方案供應(yīng)商。ASMPT的產(chǎn)品矩陣廣闊，提供包含精密電子和光學(xué)元件成型、組裝和封裝等各類設(shè)備解決方案，下游覆蓋電子、移動(dòng)通信、電腦、汽車、工業(yè)和LED顯示器等諸多領(lǐng)域。在半導(dǎo)體先進(jìn)封裝領(lǐng)域，公司具備有完善的設(shè)備產(chǎn)品線供應(yīng)。公司針對半導(dǎo)體業(yè)務(wù)擁有獨(dú)立的事業(yè)部，主要從事研發(fā)、生產(chǎn)半導(dǎo)體后道封裝及組裝設(shè)備，提供多元化產(chǎn)品如：薄膜沉積設(shè)備、激光開槽設(shè)備、鍵合機(jī)、焊線機(jī)、塑封系統(tǒng)、切筋成型系統(tǒng)等全方位生產(chǎn)線設(shè)備。公司可以提供各類市場需要的鍵合機(jī)。鍵合機(jī)方面，ASMPT主要可以提供引線鍵合機(jī)、倒裝鍵合機(jī)、熱壓鍵合機(jī)和混合鍵合機(jī)，同時(shí)滿足下游客戶傳統(tǒng)封裝和先進(jìn)封裝的需求。引線鍵合機(jī)包括AERO和HERCULES系列，分別可以進(jìn)行銅線鍵合和鋁線鍵合；倒裝鍵合機(jī)包括AD8312FC和NUCLEUS系列，可以支持低引腳數(shù)的倒裝封裝及扇出型工藝需求；熱壓鍵合機(jī)包括FIREBIRDTCB系列，主要用于異構(gòu)集成的芯片2D、2.5D及3D封裝，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)有超過250臺(tái)在下游客戶工廠參與量產(chǎn)；混合鍵合機(jī)包括LITHOBOLT系列，主要支持D2W混合鍵合工藝。公司收入水平受行業(yè)影響波動(dòng)較大。公司2019-2023年?duì)I收和凈利潤C(jī)AGR分別約為-1.78%和3.60%，整體業(yè)績趨于平緩，上下波動(dòng)幅度較大。2023年，公司營收達(dá)到19.02億美元，同比下滑23.64%；實(shí)現(xiàn)凈利潤0.91億美元，同比下滑72.70%，主要原因由于全球半導(dǎo)體行業(yè)周期下行導(dǎo)致。整體盈利能力出色，凈利率短期承壓。毛利率方面，2023年公司整體毛利率39.28%，相對維持高位穩(wěn)定；雖然公司毛利率在2020年略有下滑，但2021年之后毛利率水平重新回歸正常區(qū)間。凈利率方面，受下游行業(yè)疲軟導(dǎo)致收入下滑以及公司固定營業(yè)開支剛性較強(qiáng)影響，公司2023年凈利潤率下滑明顯，約為4.78%。公司提供的TCB設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過三代迭代，有豐富的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)。ASMPT早在2013年就實(shí)現(xiàn)了第一代熱壓鍵合設(shè)備的研發(fā)，主要提供TC-CUF工藝。在此基礎(chǔ)上，公司已經(jīng)完成了三次迭代，從TC-CUF工藝逐步擴(kuò)充到C2S（晶片到基板）、C2W（晶片到晶圓），第三代C2WFIREBIRDTCB加工精準(zhǔn)度已經(jīng)達(dá)到了0.8μm，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。目前，公司已經(jīng)向全球各大半導(dǎo)體制造廠商供應(yīng)了超250臺(tái)TCB設(shè)備，擁有龐大的客戶群體和產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備，是全球TCB熱壓鍵合工藝設(shè)備的龍頭廠商。ASMPacificTechnology和EVG聯(lián)手打造D2W混合鍵合技術(shù)。2021年1月，ASMPT和EV集團(tuán)(EVG)宣布簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議（JDA），共同開發(fā)用于3D-IC異構(gòu)集成應(yīng)用的晶片到晶圓（D2W）混合鍵合解決方案。EVG負(fù)責(zé)提供用于晶片到晶圓混合鍵合的晶片準(zhǔn)備技術(shù)和前端清潔技術(shù)，ASMPT則負(fù)責(zé)提供超薄晶片超高精度鍵合技術(shù)。在雙方合作下，ASMPT在混合鍵合領(lǐng)域的設(shè)備能力也得到了提升，其超精密芯片到晶圓混合鍵合解決方案LithoBolt與前道制程工具設(shè)計(jì)相同，為Chiplet集成而設(shè)計(jì)，具備D2W混合鍵合的靈活工藝能力，設(shè)備可以達(dá)到200nm的加工精確度。3.EVGroup：全球最大的晶圓鍵合解決方案供應(yīng)商EVG（EVGroup）于1980年在奧地利成立，是為半導(dǎo)體、MEMS、化合物半導(dǎo)體、功率器件和納米器件制造提供批量生產(chǎn)設(shè)備和工藝解決方案的供應(yīng)商。同時(shí)，EVG也是目前先進(jìn)封裝領(lǐng)域納米技術(shù)晶圓級鍵合及光刻技術(shù)領(lǐng)域公認(rèn)的技術(shù)引領(lǐng)者，供應(yīng)產(chǎn)品主要包括晶圓鍵合設(shè)備、薄晶圓加工設(shè)備、光刻納米壓印(NIL)設(shè)備、光刻膠涂布機(jī)以及清潔和檢測/計(jì)量系統(tǒng)。鍵合機(jī)方面，EVG可以提供滿足科研和批量生產(chǎn)的解決方案。EVG公司提供的鍵合機(jī)品種多樣，包括適合陽極鍵合、共晶鍵合、金屬擴(kuò)散鍵合、直接鍵合、聚合物鍵合、熔融與混合鍵合和瞬時(shí)液相鍵合的小批量、半自動(dòng)晶圓鍵合解決方案，如EVG510、EVG520、EVG540晶圓鍵合系統(tǒng)等；還提供可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、大批量、滿足3D異構(gòu)集成高對準(zhǔn)精度生產(chǎn)的晶圓鍵合解決方案，如EVG560、EVGGEMINI、EVGCombond、EVGBondscale等晶圓鍵合系統(tǒng)；還有用于扇出封裝、晶圓減薄、3D堆疊、晶圓鍵合的臨時(shí)鍵合和晶圓解鍵合解決方案，如EVG850、EVG850TB、EVG850LT等晶圓臨時(shí)鍵合與解鍵合系統(tǒng)等各類有關(guān)鍵合工藝設(shè)備?；旌湘I合D2W領(lǐng)域，公司是行業(yè)領(lǐng)先探索者之一。2021年3月，EVG推出了行業(yè)首部用于晶片到晶圓（D2W）鍵合應(yīng)用的商用混合鍵合活化與清潔系統(tǒng)——EVG320D2W晶片準(zhǔn)備與活化系統(tǒng)。EVG320D2W集成了D2W鍵合需要的所有關(guān)鍵預(yù)處理模塊，包括清潔、電漿活化、晶片調(diào)準(zhǔn)檢定以及其他必要的模塊，既可作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，也可與第三方拾放式晶片鍵合系統(tǒng)相集成。通過和ASMPT在D2W領(lǐng)域的深入合作，EVG相關(guān)設(shè)備技術(shù)能力也得到了大幅提升，2022年7月，EVG宣布公司在芯片到晶圓（D2W）熔融與混合鍵合領(lǐng)域取得重大突破，EVG在單次轉(zhuǎn)移過程中使用GEMINI?FB自動(dòng)混合鍵合系統(tǒng)，在完整3D片上系統(tǒng)（SoC）中對不同尺寸芯片實(shí)施無空洞鍵合，良率達(dá)到100%。4.SUSS：先進(jìn)后端封裝設(shè)備和前道光掩膜解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者SUSSMicroTec成立于德國，擁有70多年的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，公司產(chǎn)品涵蓋光刻、涂膠/顯影、晶圓鍵合、光刻掩膜版清洗等諸多半導(dǎo)體、微加工相關(guān)領(lǐng)域，是半導(dǎo)體先進(jìn)后端封裝設(shè)備和前道光掩膜解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。鍵合機(jī)領(lǐng)域，SUSS主要提供全自動(dòng)和半自動(dòng)晶圓片鍵合系統(tǒng)。半自動(dòng)晶圓鍵合機(jī)方面，SUSS晶圓鍵合系統(tǒng)主要包括XB8、SB6/8Gen2、DB12T和LD12系統(tǒng)，適用于8英寸和12英寸晶圓片的鍵合，主要用以科研與測試用途。全自動(dòng)晶圓鍵合機(jī)方面，SUSS主要包括XBS200（8英寸）、XBS300（12英寸混合鍵合）、XBS300（12英寸臨時(shí)鍵合機(jī)）和XBC300Gen2（解鍵合與清洗機(jī)）等系統(tǒng)。SUSSXBS300平臺(tái)可以用于8英寸和12英寸的混合鍵合/熱壓鍵合。XBS300平臺(tái)擁有高度的模塊化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)極大的配置靈活性。通過更換對應(yīng)模塊，XBS300可以提供熱壓鍵合和混合鍵合兩種鍵合工藝。新型XBS300混合鍵合平臺(tái)可用于HBM和3DSOC等要求極其嚴(yán)苛的混合鍵合工藝，滿足D2W（芯片到晶圓）和W2W（晶圓到晶圓）兩種加工需求，同時(shí)還擁有行業(yè)領(lǐng)先的100nm精準(zhǔn)度。5.K&S：全球半導(dǎo)體封測設(shè)備頭部廠商K&S（KulickeandSoffaIndustries，庫力索法半導(dǎo)體）創(chuàng)立于1951年，總部位于新加坡，全職雇員2877人，是一家半導(dǎo)體設(shè)備和材料公司，主要從事制造及組裝半導(dǎo)體組裝設(shè)備和用于半導(dǎo)體封裝及測試的消耗性器具、測試產(chǎn)品、內(nèi)部連接產(chǎn)品，是目前全球半導(dǎo)體封測設(shè)備的頭部廠商之一。公司圍繞半導(dǎo)體封測設(shè)備和耗材布局。作為半導(dǎo)體行業(yè)的先鋒，K&S幾十年來致力于為客戶提供市場領(lǐng)先的封裝解決方案。公司從半導(dǎo)體貼片機(jī)和焊線機(jī)起步，逐步通過戰(zhàn)略性收購和自主研發(fā)，逐步增加了先進(jìn)封裝鍵合機(jī)、電子裝配、楔焊機(jī)等產(chǎn)品，同時(shí)配合其核心產(chǎn)品進(jìn)一步擴(kuò)大了耗材的產(chǎn)品范圍。目前公司已經(jīng)形成了半導(dǎo)體封測設(shè)備銷售為核心，配套耗材為輔的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。與下游行業(yè)景氣度強(qiáng)綁定，營收規(guī)模呈現(xiàn)波動(dòng)態(tài)勢。公司2019-2023年（公司23財(cái)年為22年10月-23年9月，下述“年”均指財(cái)年）營收和凈利潤C(jī)AGR分別約為8.21%和47.63%，整體呈現(xiàn)上升趨勢。2023年公司實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入7.42億美元，同比下降50.62%；實(shí)現(xiàn)凈利潤0.57億美元，同比下滑86.82%，主要原因系全球半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)需求疲軟，短期內(nèi)下游資本開支放緩導(dǎo)致。設(shè)備技術(shù)含量高，盈利水平出色。K&S主要提供全球先進(jìn)的全球先進(jìn)的半導(dǎo)體后道封測設(shè)備，整體呈現(xiàn)高盈利水平的行業(yè)特征。毛利率方面，2016-2023年公司毛利率水平基本保持穩(wěn)定，維持在45%左右上下小幅波動(dòng)，2023年實(shí)現(xiàn)毛利率48.30%。凈利率方面，受公司費(fèi)用端波動(dòng)影響，整體凈利率水平變動(dòng)幅度較大，2023年實(shí)現(xiàn)凈利率7.70%，短期承壓但長期仍具上升潛力。先進(jìn)封裝鍵合機(jī)方面，公司擁有先進(jìn)的封裝設(shè)備組合，覆蓋高精度芯片貼裝、高精度倒裝