封装技术进步促进键合设备的发展

在半导体产业的蓬勃发展进程中，半导体封装技术作为其中极为关键的一环，正经历着日新月异的变革。半导体封装不仅承担着保护芯片、实现电气连接的重任，更是随着科技的进步，在提升芯片性能、实现更高集成度等方面发挥着越来越重要的作用。其中，键合技术作为半导体封装的核心工艺之一，以其多样化的类型和不断创新的发展态势，成为推动半导体封装技术持续进步的重要力量。

键合，从本质上来说，是一种借助物理或者化学手段，将两片表面极为光滑且洁净的晶圆紧密贴合在一起的工艺过程。这一工艺在半导体制造中扮演着双重关键角色，一方面辅助半导体制造工艺的顺利推进，另一方面能够构建出具备特定功能的异质复合晶圆。键合技术种类繁多，基于不同的分类标准，形成了多元且清晰的分类体系。

从晶圆目标种类的维度来看，键合技术可清晰划分为晶圆-晶圆键合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圆键合（Die-to-Wafer，D2W）。晶圆-晶圆键合，是将两片完整的晶圆进行贴合，这种键合方式在构建大规模集成电路、实现晶圆级的集成等方面具有显著优势。例如，在一些高端芯片的制造中，通过晶圆-晶圆键合技术，可以将不同功能的晶圆层进行精准贴合，从而实现芯片功能的高度集成与优化。芯片-晶圆键合则是将单个芯片与晶圆进行连接，这种方式在一些特定芯片的封装以及小批量、高定制化的半导体产品制造中应用较为广泛。

若依据键合完成后是否需要进行解键合操作来划分，键合技术又可分为临时键合（TemporaryBonding）和永久键合（PermanantBonding）。临时键合主要应用于半导体制造过程中的特定阶段，例如在晶圆减薄等工艺中，为超薄晶圆提供临时的机械支撑。当完成相关工艺后，通过解键合操作将临时键合的材料去除。而永久键合则是一旦完成键合，两片晶圆将永久性地连接在一起，形成稳定的电气和物理连接，广泛应用于各类成熟半导体产品的最终封装环节。

在传统的半导体封装领域，引线键合技术长期占据着主导地位，其核心作用在于实现芯片与外界的电气互联。传统封装的流程较为复杂，首先需要将晶圆切割成一个个独立的晶粒，然后将这些晶粒精准地贴合到预先设计好的基板架上。在此基础上，利用金属引线，将晶片上的接合焊盘与基板引脚上的对应位置进行逐一连接，从而建立起芯片与外界的电气通路。最后，为了保护脆弱的芯片以及已完成的电气连接，会使用外壳对整个封装结构进行封装保护。

以常见的电子设备芯片为例，如手机处理器芯片，在其传统封装过程中，大量采用引线键合技术。通过精细的金属引线，将芯片内部的微小电路与手机主板上的对应接口相连，确保芯片能够稳定地接收和发送电信号，实现手机的各种功能。2024年，我国在引线键合机的进口市场方面展现出了较大的规模，市场空间约达6.18亿美元。在全球半导体键合机市场中，海外的K&S（库力索法）和ASM凭借其先进的技术和成熟的产品体系，成为行业内的龙头企业。它们的键合机产品在精度、速度以及稳定性等方面具有显著优势，能够满足高端半导体制造的严苛要求。与此同时，国内的企业如奥特维等也在积极投入研发力量，努力突破技术瓶颈，逐渐缩小与国际先进水平的差距，在国内市场中崭露头角，为我国半导体封装产业的自主发展注入新的活力。

图表：2024年我国进口引线键合机金额为6.18亿美元，同比+21%

数据来源：中研普华产业研究院整理

随着半导体行业迈入后摩尔时代，芯片制造面临着诸多挑战，传统的通过不断缩小晶体管尺寸来提升芯片性能的方式逐渐逼近物理极限。在这样的背景下，先进封装技术成为了提升芯片性能、实现更高集成度的重要突破口。先进封装追求的是更高的传输速度以及更小的芯片尺寸，在这一目标的驱动下，键合技术也经历了一系列深刻的演变。

从发展历程来看，键合技术从最初依赖引线框架实现电气连接，逐渐发展到倒装（FC）技术。倒装技术通过将芯片翻转，使芯片的电极直接与基板上的焊盘进行连接，大大缩短了信号传输路径，提高了信号传输速度。随后，热压粘合（TCP）技术应运而生，该技术通过在一定温度和压力下，使芯片与基板之间的连接材料实现良好的电气和机械连接，进一步提升了封装的可靠性和性能。接着，扇出封装（Fan-out）技术凭借其能够将芯片的引脚扩展到芯片外部，实现更高密度的引脚布局，满足了芯片对更多电气连接的需求。而当前，混合键合（HybridBonding）技术正逐渐成为先进封装领域的焦点与未来发展趋势。

混合键合技术具有独特的优势，它仅需要铜触点即可实现芯片之间的连接，相较于传统键合方式，能够实现更高密度的互联。在实际应用中，例如在先进的HBM（高带宽内存）和NAND闪存芯片制造中，混合键合技术的优势得到了充分体现。HBM芯片对数据传输速度和带宽要求极高，混合键合技术能够有效减少信号传输延迟，提高数据传输效率。NAND闪存芯片在追求更高存储密度和更快读写速度的过程中，混合键合技术也发挥着关键作用。然而，混合键合技术在实际应用中也面临着诸多工艺难点。其中，对晶圆表面的光滑度、清洁度以及键合过程中的对准精度要求极高。任何微小的表面缺陷或者键合偏差，都可能导致电气连接不良，影响芯片性能。尽管存在这些挑战，但随着技术的不断进步，先进HBM和NAND等芯片正陆续全面导入混合键合技术。根据BESI的预测，到2030年，混合键合设备的市场需求有望达到28亿欧元，折合约200亿人民币，这一庞大的市场规模充分显示了混合键合技术在未来先进封装领域的巨大发展潜力。

在先进封装技术不断发展的过程中，晶圆变薄成为了一项核心工艺。超薄晶圆具有诸多显著优点，例如能够有效降低芯片的功耗、提高信号传输速度，并且直接推动了3D堆叠层数的提高，从而实现更高的芯片集成度。在一些先进的封装应用场景中，对晶圆的厚度要求极为苛刻，需要将晶圆减薄至10μm以下。然而，如此薄的晶圆在加工过程中面临着极大的机械稳定性挑战。

为了解决这一问题，临时键合和解键合技术应运而生。在晶圆减薄工艺开始之前，首先需要通过临时键合技术，将待减薄的晶圆与一个具有良好机械强度的载体晶圆进行临时贴合。这个载体晶圆能够为超薄晶圆提供必要的机械支撑，确保在后续的减薄、切割等工艺过程中，晶圆不会发生变形、破裂等问题。当完成所有需要在超薄晶圆上进行的工艺操作后，再通过解键合技术，将载体晶圆与超薄晶圆分离，从而得到符合要求的超薄芯片。

例如，在3D芯片堆叠技术中，临时键合和解键合技术的应用尤为关键。通过多次的临时键合、晶圆减薄、芯片堆叠以及解键合等工艺步骤，能够将多个超薄芯片精准地堆叠在一起，实现芯片在三维空间上的高度集成，极大地提升了芯片的性能和功能密度。临时键合和解键合技术作为先进封装工艺中的重要组成部分，为实现晶圆的超薄化以及更高水平的芯片集成提供了不可或缺的技术支持，在推动半导体封装技术向更高层次发展的过程中发挥着举足轻重的作用。

半导体封装技术中的键合技术正处于快速发展与变革的时期。从传统封装的引线键合到先进封装下的热压键合、混合键合等新技术，以及临时键合和解键合在先进封装中的关键应用，每一次技术的创新与突破都为半导体产业的发展注入了新的活力。随着技术的不断进步和市场需求的持续推动，键合技术必将在未来半导体封装领域中展现出更为强大的生命力，为半导体产业的持续创新与发展奠定坚实的基础。