混合键合：半导体先进封装的热门之选

在半导体行业的发展进程中，混合键合技术正逐渐被推到了台前。Yole 的最新预测显示，混合键合在先进封装领域呈现出最陡峭的增长曲线。三星、SK 海力士等行业巨头均表示，到 HBM 5 时将会采用混合键合技术。

目前，韩美半导体宣称投入 1000 亿韩元用于开发下一代混合键合技术；LG 电子将目光瞄准了 HBM 应用的混合键合设备；国内拓荆科技更是把混合键合设备视为公司的第二增长曲线，种种迹象表明，混合键合的时代已然来临。

先进封装的转变

封装，已然成为驱动摩尔定律发展的关键因素，先进封装更是如此。一般而言，封装模式的发展伴随着键合方式的变革，而键合发展的核心目标是实现更高密度的互联以及更小的封装尺寸。

在封装发展历程中，经历了多次重大转变。倒装芯片（Flip - Chip）作为封装史上的 “常青树”，起源于 20 世纪 60 年代，是迄今应用最为广泛、技术最为成熟的方案之一。它将芯片功能区朝下以倒扣的方式背对基板，通过 Bump 和基板进行互联。然而，随着芯片集成度的不断提升，其核心短板愈发明显：倒装的回流焊在炉中进行，整个电路板都会被加热，冷却过程中因热膨胀系数不匹配可能导致键合减弱或芯片翘曲。

热压键合（TCB）由英特尔和 ASMPT 公司联合开发，并于 2014 年投入量产。其核心创新在于 “局部加热”，从顶部逐片对芯片施加热与压力实现键合，在芯片和基板热压键合时，只对芯片及其焊球加热，从而减小了翘曲风险，兼顾了可靠性与封装效率，恰好满足了高带宽存储器（HBM）这类高密度堆叠产品的需求。正因如此，目前三星、SK 海力士、美光等巨头的 HBM 产品，均将 TCB 作为标配封装方案，使其稳稳占据当前先进封装的 “主流席位”。

混合键合最大的特点是无凸块连接。尽管 TCB 技术解决了热胀问题，但封装行业对更高密度互联的追求从未停止。混合键合技术的出现，跳出了传统方案依赖凸块（Bump）的固有框架。以往封装采用基于焊料的凸块技术，而混合键合能够实现铜对铜的连接，带来了三方面显著优势：一是顶部芯片和底部芯片彼此齐平；二是芯片间无凸块，能够微缩到超细间距；三是不使用焊料，避免了与焊料相关的问题。

从技术迭代逻辑来看，混合键合与 TCB 并非简单的 “替代” 关系，而是针对不同需求场景的互补方案。TCB 凭借成熟度和成本优势，仍是 HBM 等量产产品的首选；混合键合则瞄准未来更高集成度的芯片需求，如 3D 堆叠层数突破 20 层的先进存储、算力密度极高的 AI 芯片等，成为行业布局下一代封装技术的核心方向。

从市场来看，TCB封装还是主流。Yole Group 估计，2025 年 TCB 键合机的收入约为 5.42 亿美元，预计到 2030 年将增长到约 9.36 亿美元，复合年增长率为 11.6%。订单量追踪着 HBM3E 的产能爬坡和向更厚堆栈的过渡，SK 海力士和美光在 2025 年上半年进行了大额采购。据摩根大通预测，HBM用TCB键合机的整体市场规模将从 2024 年的 4.61 亿美元增长至 2027 年的 15 亿美元，增长两倍以上。

目前，TCB 键合机市场呈现 “六强格局”，其中韩国有韩美半导体、SEMES、韩华 SemiTech，日本有东丽（Toray）、新川（Shinkawa），新加坡则有 ASMPT。在这之中，韩美半导体在 HBM TCB 键合机市场上拥有最高的市场占有率。韩美半导体近日发布的业绩预告显示，公司预计 2025 年第一季度合并营收达 1400 亿韩元（约 6.9 亿元人民币），营业利润达 686 亿韩元。与 2024 年同期相比，营收增长 81%，营业利润增幅高达 139% 。并且，今年 4 月，韩美半导体已经正式通知韩国本土客户 ，用于制造 HBM 的 TCB 价格上涨 25%。

混合键合，应用多样

混合键合技术的提出，刷新了行业内的封装方式，也标志着半导体集成电路技术发生了根本性的转变。目前混合键合主要有两种方式：一种是把单一尺寸的单个芯片键合到更大尺寸芯片的晶圆上（die - to - wafer：D2W），另一个是将两块相同尺寸的整块晶圆键合在一起（wafer - to - wafer：W2W）。

索尼是首个应用混合键合技术的企业。2015 年，索尼在 CMOS 图像传感器中采用了 Cu - Cu 直接键合，成为首个实现混合键合量产的产品。在随后的一段时间里，混合键合主要应用于 CMOS 图像传感器领域。随着技术的不断成熟，混合键合逐渐拓展到逻辑、3D NAND、HBM 等场景。

2022 年，AMD 推出了首款垂直缓存（V - Cache）游戏处理器 Ryzen 7 5800X3D。这款处理器将计算和 I/O 功能划分到独立的 Chiplet 中，特别之处在于，在计算 Chiplet 顶部增加了一个堆叠的 SRAM 扩展芯片，将 L3 缓存从 32 MB 扩展到 96 MB。这块额外的内存是在单独的芯片上制造的，通过混合键合进行连接，使得扩展的缓存能够像直接集成在计算芯片上一样运行。

2024 年，AMD 又推出了专为 AI 训练应用设计的 Instinct MI300 系列芯片，同样采用了混合键合技术。凭借 MI300，AMD 在利润丰厚的 AI 硬件市场上与 Nvidia 展开了直接竞争。

在 3D NAND 领域，长江存储的 Xtacking 架构通过将 CMOS 和存储阵列进行混合键合，实现了更高的密度、更小的面积以及更快的速度。Xtacking 4.0 能够实现 IO 速率 3600MT/s。铠侠在最新的 BiCS8 218 层 3D NAND 中采用了 CMOS 直接键合阵列 （CBA）。

混合键合，大热

尽管混合键合技术在众多领域都有应用，但在 HBM 领域的需求最为突出。不同于普通的内存更迭周期，HBM 更新换代的速度越来越快。GPU 供应商正在将新技术发布的频率加快到每年一次，这比内存标准的典型刷新周期要快得多。传统内存技术的转型通常需要四到五年时间， 而 HBM 现在每两到两年半就会更新换代一次，这对 HBM 提出了更高的要求。

韩国 “海力士 HBM 之父” Joungho Kim 在今年强调，混合键合等新兴技术将对未来内存设计起到决定性作用。未来 HBM 设计可能需要数十万甚至数百万个硅通孔，为支持如此高的密度，线路间距需大幅缩小。Joungho Kim 认为，传统热压键合设备将难以跟上需求，混合键合技术因此变得不可或缺。目前键合间距仍处于数十微米级别，而下一代技术必须达到 1 微米级别。

分析机构 TrendForce 集邦咨询表示，三大 HBM 内存巨头在对堆叠高度限制、I/O 密度、散热等要求的考量下，已确定于 HBM5 20hi（20 层堆叠）世代全面应用混合键合技术。

三星在首尔举行的人工智能半导体论坛上透露，该公司计划在其 HBM4 中采用混合键合技术，以降低发热量并实现超宽内存接口。此外，今年三星也与长江存储签署了堆叠 400 层 NAND 所需的混合键合技术的专利许可协议。

SK 海力士在 2023 年就宣布，其用于 HBM 制造的混合键合工艺已获得可靠性认证。SK 海力士第三代 HBM（HBM2E）将 DRAM 堆叠成 8 层，在使用混合键合工艺制造后，通过了所有方面的可靠性测试。今年 4 月，SK 海力士副总裁表示，SK 海力士正在推进混合键合在 HBM 上的应用，目前正处于研发阶段，预计最早将应用于 HBM4E。

美光在 2022 年就从 Xperi 获得了 Cu–Cu 混合键合的授权，其 HBM3E 芯片封装采用了铜硅混合键合工艺。

火热的混合键合领域，成为了众多设备企业竞相追逐的焦点。在混合键合赛道，全球混合键合设备市场主要由国际龙头企业主导，其中荷兰 BESI 是该领域的龙头，市占率高达 67%。2021 年至 2024 年，公司累计混合键合订单已经超过 100 套，2024 年首批 100nm 精确度的混合键合设备出货，并计划在 2025 年底实现 50nm 精确度的混合键合设备。

韩美半导体也将混合键合视为未来更高 HBM 堆叠的关键，最近宣布将投入 1000 亿韩元，全力进军混合键合技术的研发与生产领域，并制定了明确的设备发布规划，计划在 2027 年底前成功推出混合键合机设备。

无独有偶，ASMPT也在混合键合获得进展。从2021年开始布局混合键合，ASMPT在2024年第三季度向一家逻辑客户交付了首台混合键合设备，并获得了两台用于HBM应用的下一代混合键合设备的首次订单，预计将于2025年第三季度交付。7 月份，LG 电子下属的生产技术研究所 (PTI) 传出已启动混合键合设备开发，目标在 2028 年实现大规模量产。

总而言之，混合键合技术的崛起，是半导体产业在摩尔定律逼近物理极限时的必然选择。从设备企业的重金投入，到各大厂商在不同领域的积极应用，都彰显出其蓬勃的生命力。只有提前布局技术、构建产业链优势的企业，才能在半导体产业的下一轮竞争中，握住决定格局的 “关键筹码”。