2025年4月22-24日
上海世博展览馆

电子展|半导体键合设备行业研究:先进封装驱动下的技术革新与国产突破

一、半导体封装技术演进,键合类型丰富多元

 

半导体封装技术持续发展,键合作为其中关键环节,起着将两片表面光滑且洁净的晶圆贴合的重要作用,方式多样且分类标准各异。从晶圆目标种类划分,有晶圆 - 晶圆键合(Wafer-to-Wafer,W2W)和芯片 - 晶圆键合(Die-to-Wafer,D2W);依据键合完成后是否需解键合,分为临时键合(Temporary Bonding)与永久键合(Permanant Bonding);按待键合晶圆间有无辅助界面夹层,可分为直接键合、间接键合以及混合键合(Hybrid Bonding);从传统与先进维度,传统的有引线键合(Wire Bonding),先进的则采用倒装芯片键合(Flip Chip Bonding)、混合键合等。

二、传统封装倚重引线键合,实现电气连接

(一)传统封装借助引线达成电连接,形式多样

 

传统封装依赖引线构建晶圆与外界的电气连接。将晶圆切割成晶粒后,使晶粒贴合至相应基板架,再用引线把晶片的接合焊盘与基板引脚相连,后以外壳防护。传统封装大体分为通孔插装类和表面贴装类。20 世纪 70 年代,双列直插式封装(DIP)、锯齿型单列式封装(ZIP)等通孔型技术较为常用,需将引线插入印刷电路板(PCB)安装孔。但随着引脚数量增多、PCB 设计复杂化,通孔插装技术局限性渐显,薄型小尺寸封装(TSOP)、四方扁平封装(QFP)、J 形引线小外形封装(SOJ)等表面贴装型技术相继诞生。

(二)引线键合能量驱动方式多样,各有特点

 

 电子展了解到,引线键合依据键合能量使用差异,分为热压键合法、超声键合法和热超声键合法。热压键合法利用微电弧使键合丝端头熔成球状,经送丝压头压焊在引线端子上形成第一键合点,随后送丝压头提升移动,在布线板对应导体布线端子上形成第二键合点,完成连接。超声键合法多用于铝丝引线连接,超声波能量被铝丝位错选择性吸收,使其在低外力下呈塑性变形,破坏铝蒸镀膜表面氧化膜,露出清洁金属表面便于键合。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超声振动,效率更高、用途更广,但工艺复杂。

(三)引线键合机市场集中度高,海外企业主导

 

受下游需求及我国设备商国产替代加速影响,2024 年我国引线键合机进口市场空间约 6.18 亿美元,远低于 2021 年高峰期的 15.9 亿美元。进口的引线键合机含金铜线键合机和铝线键合机,铝线键合机数量占比 10 - 15%,约 3000 - 4000 台,单台价值量约 25 万美元,市场空间约 40 - 50 亿元人民币;金铜线键合机数量占比 85 - 90%,单台价值量约 5 - 6 万美元,市场空间约 80 亿元人民币。海外的 K&S(库力索法)、ASM 为半导体键合机龙头,2021 年二者市占率(CR2)约 80%。铝线键合机业务是 K&S 2010 年收购美国 OE 公司所得,契合 K&S 生产文化,2020 年前在汽车电子、功率器件,尤其汽车电子市场,K&S 市占率达 90%,其 Asterion 和 PowerFusion 产品竞争力强。2020 年下半年后,ASMPT、奥特维等竞争对手出现,K&S 逐步减少功率器件 IGBT 市场投入,重心转向汽车电子。国外龙头单台售价 25 万美金 / 台(约合人民币 180 万元),国产设备约 130 万人民币。

三、先进封装兴起,热压、混合键合成趋势

(一)后摩尔时代,封装性能要求全面提升

 

 电子展了解到,后摩尔时代,封装朝着高速信号传输、堆叠、小型化、低成本、高可靠性、散热等方向发展。人工智能、5G 等技术促使芯片速度提升,也对半导体封装技术提出更高要求以加快传输速度。过去一个封装外壳内多为单个芯片,如今多芯片封装(MCP)和系统级封装(SiP)等技术可实现一个封装外壳内堆叠多个芯片。并且随着半导体产品在移动、可穿戴产品中的应用,小型化需求愈发重要。

(二)键合技术随封装形式演变,追求更小互联距离

 

随着封装形式从初引线框架,历经倒装(FC)、热压粘合(TCP)、扇出封装(Fan-out)向混合封装(Hybrid Bonding)演变,键合技术不断追求更小互联距离以实现更快传输速度,从而集成更多 I/O、实现更薄厚度,满足芯片复杂功能及移动设备轻薄化需求。在新混合键合技术下,键合精度从 5 - 10/mm² 提升到 10k + /mm²,精度从 20 - 10um 提升至 0.5 - 0.1um,同时能量 / Bit 缩小至 0.05pJ/Bit。为减小芯片尺寸,封装尺寸和凸点间距需相应缩小,10μm 凸点间距提供的 I/O 数量约为 200μm 凸点间距的 400 倍。随着电子器件向轻薄、微型、高性能发展,凸点间距已推进到 20μm,部分行业巨头实现小于 10μm 的凸点间距。其中,50 - 40μm 凸点间距可通过倒装键合实现,40 - 10μm 凸点间距需热压键合(TCB),10μm 以下凸点间距则采用混合键合技术。

(三)倒装键合优势显著,在先进封装领域广泛应用

 

 电子展了解到,倒装键合通过在芯片顶部形成凸点,实现芯片与基板间电气和机械连接,是与传统引线键合类似的互连技术。与引线键合相比,倒装键合连接密度更高,引线键合只能在芯片四周引线连接,对 I/O 引脚数量和位置有限制,而倒装键合可在芯片正面全面植球,大幅提高连接密度;且信号传输路径更短,直接利用凸块传输电信号,路径远短于引线键合,能带来更快计算传输能力。因此,在先进封装领域,倒装键合凭借优越电气性能和空间利用率成为主流,广泛应用于 CPU、GPU 和高速 DRAM 芯片封装。

(四)热压键合解决高精度需求,市场被海外企业垄断

 

当芯片凸点间距缩小,倒装键合回流焊出现翘曲和精度问题,此时凸点间距 40μm 以下,热压键合(TCB,Thermal Compression Bonding)成为主流。TCB 键合利用高精度相机对准待键合芯片,通过控制热压头压力与位移接触基座,施压并加热实现芯片键合。TCB 从芯片顶部加热,仅芯片和 C4(可控熔塌芯片互连,Controlled Collapse Chip Connection)焊料升温,大程度减少基板、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 间距下电气特性更优,允许 I/O 间距继续缩小,可封装更薄芯片,多叠层 HBM3 常采用 TCB。据 QY Research 数据,2023 年全球热压键合机(TCB)市场销售额 1.04 亿美元,预计到 2030 年达 2.65 亿美元,年复合增长率 14.5%。随着半导体向更小尺寸、更高集成度发展,热压键合机作为先进封装核心设备,需求大增,尤其 HBM3 多层芯片堆叠技术对热压键合工艺的依赖,推动市场快速增长。全球热压键合机市场主要被海外企业垄断,主要参与者有 ASMPT、K&S、BESI、Shibaura 和 SET,前五制造商市场份额(CR5)约 88%。ASMPT 官网显示,其 FIREBIRD TCB 系列热压键合机用于异构集成的芯片 2D、2.5D 及 3D 封装,已批量交付超 250 台,是全球 TCB 热压键合工艺设备龙头厂商。同时,华卓精科、唐人制造等国产厂商积极布局,市场份额有望逐步扩大。

(五)混合键合实现高密度互联,工艺步骤复杂

 

混合键合因其键合界面包含金属和介质或聚合物(如 Cu/SiO₂、Cu/SiCN 等)两种材料,通过堆叠接触将不同工艺晶圆结合实现电气互联。该技术无需金属引线或微凸点,仅靠铜触点实现短距离电气互连,有望在芯片间达成更短互连距离、更高密度、更低成本及更高性能。典型的 Cu/SiO₂混合键合含三个关键工艺步骤:首先是键合前预处理,晶圆需经化学机械抛光 / 平坦化(CMP)和表面活化及清洗,获得平整洁净且亲水性表面;接着是两片晶圆预对准键合,键合前预对准,室温下紧密贴合,使介质 SiO₂上悬挂键在晶圆间桥连,形成 SiO₂ - SiO₂熔融键合,此时金属 Cu 触点间存在物理接触或凹陷缝隙(dishing),未完全实现金属间键合;后是键合后热退火处理,通过热退火促进晶圆间介质 SiO₂反应和金属 Cu 互扩散,形成永久键合。

四、先进封装晶圆减薄,催生临时键合需求

(一)晶圆级堆叠封装促使晶圆减薄,临时键合成为必需

 

在先进封装中,晶圆减薄工艺至关重要,超薄晶圆具备诸多优势,能直接推动 3D 堆叠层数增加。在部分先进封装应用里,需将晶圆减薄至 10μm 以下。例如,超薄晶圆可增强散热,降低热阻,改善晶圆多层堆叠产生的积热问题;能增强电学性能,缩短元器件间互连长度,提高信号传输速率、减少寄生功耗、提升信噪比;有助于提高集成度,在三维集成硅通孔 TSV 技术中,使用超薄晶圆可在保证深宽比的同时,制造节距更小、密度更高的硅通孔;还可降低成本,对超薄晶圆进行刻蚀、钻孔、钝化、电镀等后续工艺时,加工速度和产量提升,材料使用成本降低。然而,当硅片减薄到 100μm 以下,晶圆在工艺中残余应力增大、机械强度降低,受自身质量影响,易翘曲、弯折甚至破裂。所以对于超薄晶圆,需引入临时键合提供机械支撑,便于后续工艺开展,提升芯片制造良率、加工精度和封装精度。在背面减薄前,通过临时键合将晶圆转移到晶圆载板,完成背面减薄及其他背面工艺后再进行解键合。

(二)临时键合方式有别,各有操作要点

 

临时键合一般有临时热压键合和 UV 固化两种方式。操作时,先将临时键合胶通过旋涂或喷涂均匀涂布在器件晶圆和载片表面,然后通过热压临时键合或 UV 固化临时键合使载片和晶圆牢固键合。热压临时键合是在高温、真空键合室内,对叠放的器件晶圆和载片施加一定力,实现良好键合效果;UV 固化临时键合则是紫外光透过载片照射键合胶表面,使其发生反应,从而使载片和器件晶圆键合在一起。

(三)临时键合设备技术壁垒高,精度等要求严苛

 

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。控制系统掌控设备运行时序;上下片机构负责晶圆(和载片)的装 / 卸载;旋涂工作台在器件晶圆和载片表面涂覆临时键合胶,胶的均匀性和厚度直接影响键合效果;翻转机械手控制晶圆在不同工位间传输和翻转;对准系统将载片和器件晶圆对准,借助 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,通过紫外光照射并施加一定压力,完成临时键合。临时键合设备核心技术壁垒和难点在于多材料 / 高低温适配性、高对准精度、机械应力控制等方面。要防止超薄晶圆在处理中受机械应力影响翘曲或碎裂;满足临时键合材料加热固化或软化的高温工艺需求;确保晶圆和载板精确对准,防止后续工艺误差积累,在多层级光刻工艺中,对准精度要求极高,国际先进水平小于 50nm;同时,设备需兼容不同键合材料、温度要求、晶圆厚度等多种工艺需求。

 

 

 

 

文章来源:东吴证券