半导体键合设备行业研究：先进封装高密度互联推动键合技术发展
半导体键合设备行业研究：先进封装高密度互联推动键合技术发展
半导体键合设备是半导体封装过程中的关键设备，随着半导体技术的不断发展，键合设备也在不断演进。本文将从键合技术的分类、传统封装方式、先进封装技术以及相关设备的市场情况等方面，全面解析半导体键合设备行业的发展现状和未来趋势。
键合技术的分类
键合（Bonding）是通过物理或化学的方法将两片表面光滑且洁净的晶圆贴合在一起，以辅助半导体制造工艺或者形成具有特定功能的异质复合晶圆。键合技术有很多种，通常根据晶圆的目标种类可划分为晶圆-晶圆键合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圆键合（Die-to-Wafer，D2W）；根据键合完成后是否需要解键合，又可分为临时键合（Temporary Bonding）和永久键合（Permanant Bonding）；根据待键合晶圆间是否引入辅助界面夹层，还可分为直接键合、间接键合、混合键合（Hybrid Bonding）等；根据传统和先进与否，传统方法包括引线键合（Wire Bonding），先进方法采用倒装芯片键合（Flip Chip Bonding）、混合键合等。
传统封装方式
传统封装依靠引线实现电连接，可分为通孔插装和表面贴装类。传统封装需要依靠引线将晶圆与外界产生电气连接。将晶圆切割为晶粒后，使晶粒贴合到相应的基板架上，再利用引线将晶片的接合焊盘与基板引脚相连，实现电气连接，最后用外壳加以保护。传统封装大致可以分为通孔插装类封装以及表面贴装类封装。
引线键合根据键合能量使用的不同可以分为热压键合法、超声键合法和热超声键合法。其中，热压键合法是利用微电弧使键合丝的端头熔化成球状，通过送丝压头压焊在引线端子上形成第一键合点；超声键合法主要应用于铝丝的引线连接；热超声键合法则是在超声键合机中引入加热器辅助加热。
在引线键合机市场中，海外K&S、ASMPT为龙头，CR2约80%。受下游需求影响及我国设备商国产替代加速，2024年我国引线键合机进口市场空间约6.18亿美元，仍显著低于2021年高峰期进口市场空间的15.9亿美元。
先进封装技术
后摩尔时代下，封装追求更高的传输速度、更小的芯片尺寸。封装逐步朝着高速信号传输、堆叠、小型化、低成本、高可靠性、散热等方向发展。封装形式演变下，键合技术追求更小的互联距离以实现更快的传输速度。
键合方式逐步从引线键合、倒装键合、热压键合再到混合键合。为了使芯片尺寸更小，封装尺寸和凸点间距都需要相应地缩小。50-40μm凸点间距可通过倒装键合实现，40-10μm凸点间距需用热压键合（TCB），而10μm以下凸点间距则需采用混合键合技术。
倒装键合是通过在芯片顶部形成的凸点来实现芯片与基板间的电气和机械连接。与传统引线键合相比，倒装键合拥有更多的连接密度，信号传输路径更短，因此在先进封装领域，倒装键合技术凭借其优越的电气性能和空间利用率成为主流键合技术，被广泛应用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封装。
热压键合适用于超细间距、高密度互联封装。为解决芯片凸点间距缩小时倒装键合回流焊步骤中出现的翘曲和精度问题，当凸点间距达40μm以下时，TCB（Thermal Compression Bonding）热压键合成为主流。热压键合市场主要由海外企业垄断，CR5约88%。
混合键合仅需要铜触点，能够实现更高密度互联。混合键合是因其键合界面同时包含金属和介质或聚合物( 如Cu/SiO2, Cu/SiCN等）两种材料，通过堆叠接触方式将来自不同工艺的晶圆结合在一起实现电气互联。混合键合不需要金属引线或微凸点，仅通过铜触点实现短距离电气互连，可在芯片间有望实现更短的互连距离、更高密度、更低成本及更高性能。
临时键合工艺
晶圆级堆叠封装技术催生对超薄晶圆及临时键合工艺需求。晶圆减薄工艺成为先进封装的核心工艺，超薄晶圆的诸多优点直接推动3D堆叠层数提高。晶圆减薄工艺需要引入临时键合以提供机械支撑。因此对于超薄晶圆，必须使用外部支撑的方法对其进行保护，便于在超薄晶圆上进行后续工艺并提升芯片制造中的良率、加工精度和封装精度，由此催生对临时键合/解键合工艺的需求。
临时键合工艺可分为临时热压键合和UV固化键合。临时键合设备的核心技术壁垒和技术难点在于多材料/高低温适配性、高对准精度、机械应力控制等。