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