HBM 芯片封装技术革新：混合键合引发的产业内战

当前，随着人工智能技术的飞速发展，HBM（高带宽内存）芯片已成为 AI 计算领域的标配。HBM 芯片的核心优势在于其采用了 DRAM 芯片的垂直堆叠结构，而现阶段主流的芯片堆叠技术是热压键合（TCB）。该技术通过精确控制热量与压力，将带有微小凸点（如锡球或铜柱）的 DRAM 芯片逐层进行精密连接。

然而，随着 HBM 技术的不断迭代升级，TCB 技术逐渐暴露出明显的瓶颈。当芯片堆叠层数超过 16 层时，传统的凸点结构会对良率产生显著影响。而且，凸点本身限制了互联密度，可能导致信号完整性下降，这与 HBM 对更高带宽和更低功耗的发展需求背道而驰。

在这样的背景下，混合键合技术应运而生。混合键合是一种具有革命性的解决方案，它无需凸点，直接在 DRAM 芯片之间进行铜 - 铜直接键合，从而实现更紧密的芯片互联。这种技术能够有效提高互联密度，提升信号完整性，满足 HBM 对高性能的要求。

在半导体行业，“一代技术，催生一代设备”。随着 HBM 封装即将迈入混合键合时代，设备厂商之间的竞争也进入了白热化阶段。和 HBM 技术发展一样，混合键合设备市场也陷入了一场激烈的韩国内战。

从TC键合到混合键合，HBM封装的必由之路

由于摩尔定律的放缓，传统单芯片设计面临成本增加和物理限制的问题，行业开始转向采用小芯片和 3D 集成芯片（3DIC）技术，以提升设备性能并降低成本。在这一转型过程中，封装不再仅仅是保护芯片的 “外壳”，而是成为驱动 AI 芯片性能提升的关键因素。

Besi的下图显示了一个AI芯片所需要用到的多种封装解决方案，包含多种连接技术和组件，如混合键合、热压键合、芯片上晶圆 (CoW) 倒装芯片与扇出封装、倒装芯片CoS、光子学、中介层连接、小芯片塑膜。

图:AI小芯片封装所需要的一系列先进封装解决方案

作为后端封装的核心环节，键合技术正朝着减小I/O间距、提高I/O密度的方向演进，以满足未来芯片对更高带宽和更小封装的需求。根据Yole Group的《后端设备行业现状报告》，芯片键合技术的技术路径大致为：标准倒装芯片 → 助焊剂型TCB → 无助焊剂TCB → 铜-铜直接键合→混合键合。混合键合则代表了这一技术路线的最终目标。Yole预测，到2030年混合键合设备将增长至3.97亿美元，细间距、高密度互连对于先进的3D集成至关重要。

混合键合技术之所以备受瞩目，源于其显著的优势。按照Besi的说法，相比TCB，混合键合技术的互连密度提高15倍，速度提升11.9倍，带宽密度可实现191倍之高，能效性能提升超过100倍。虽然混合键合需要更高的基础设施成本，但它带来的每互连成本却低了10倍。此外，混合键合还能将HBM堆栈温度降低20%。

图:TCB和混合键合的性能与成本对比

不过目前，全球尚无任何一家公司成功实现该设备技术的量产化应用。主要原因有三点：一是当前的 TC 键合机仍能满足一定需求，尤其是今年 4 月份，JEDEC（制定 HBM4 标准的标准化组织）决定将 HBM4 的封装厚度由 720 微米放宽到 775 微米，现有技术的 “窗口期” 有所延长；二是其大规模量产面临巨大的技术挑战，需要极高的设备精度和工艺控制；三是混合键合设备的价格昂贵，据韩美半导体董事长 Kwak Dong shin 称，每台混合键合机的成本超过 100 亿韩元，是 Hanmi TC 键合机价格的两倍多。

尽管面临诸多挑战，混合键合作为未来 HBM 技术发展的必然方向，众多设备厂商仍将其视为战略重点。根据 Besi 的预测，通过在三种不同情景下的预测：低情景（Low case）、中情景（Mid case）和高情景（High case），到 2030 年，混合键合设备的累计装机量预计将在 960 至 2000 台之间，这比 2024 年时的预测高出了 7%。

低情景主要由逻辑芯片的应用驱动，AMD、英特尔和博通等主要厂商已确认或正在开发相关应用，包括用于 AI ASIC、高端 PC / 笔记本电脑 CPU 的系统级芯片（SoIC）等。中情景主要由内存和共同封装光学（Co - packaged optics, CPO）的应用驱动。所有领先厂商都在评估混合键合与热压键合（TCB）用于 HBM4。混合键合的 HBM5 堆栈预计将在 2026 年出现。HBM2/2E 和 HBM3/3E 是当前市场的主力，从 2026 年开始，HBM4/5 将进入市场，其市场份额将快速增长。到 2029 年，预计 HBM4/5 将占据高达 68% 的市场份额，成为主导技术。

同时共同封装光学技术也从潜在应用走向现实。英伟达在2025年3月推出了采用共同封装光学（CPO）技术的网络交换机产品：Spectrum-X以太网交换机集成了36个3D光子学小芯片；Quantum-X800 InfiniBand交换机集成了18个3D光子学小芯片。它们所采用的台积电的COUPE技术就使用了混合键合来组装这些3D光子学小芯片，并且每台交换机设备中都使用了多个通过混合键合连接的小芯片。

图:像英伟达这样的行业领导者正在将光子学小芯片与核心芯片进行共同封装，而混合键合是实现这种高级集成的关键技术

高情景由新兴应用驱动，包括智能眼镜、微显示器、传感器和智能手机等。可见，随着这些新兴应用的不断发展，混合键合技术将在未来的 AI 计算、高性能计算和其他前沿技术中发挥关键作用。“技术为王，设备要先行”，于是我们可以看到，混合键合领域的设备厂商正加速推动设备的研发与创新，以迎接这一技术变革的到来。

韩国的本土激烈内战

在混合键合设备市场，荷兰设备制造商 Besi 是不容忽视的企业。经过多年的发展，他们已经在混合键合市场站稳了脚跟。2025 年上半年，Besi 的混合键合业务的营收增长显著，较 2024 年上半年翻了一倍多。2025 年 Q3 的订单，预计将比第二季度显著增加，这主要得益于对混合键合和 AI 相关 2.5D 计算应用需求的增长。Besi 不仅在技术路线图上持续演进，更在今年 4 月迎来了重磅盟友 —— 美国半导体设备巨头应用材料（AMAT）。4 月 15 日，应用材料收购了 Besi 9% 的股份，成为其最大股东。双方联合开发的集成式混合键合系统，融合了应用材料在前端晶圆处理的专业知识和 Besi 在高精度键合上的领先技术，被普遍认为在技术稳定性上优于其他公司，并已开始向三星和美光等巨头提供测试设备。此外，奥地利 EVG、德国 SUSS 也是混合键合设备的主要供应商。

发迹于中国香港的设备大厂 ASMPT 同样是混合键合赛道的重要玩家。公司在 2024 年第三季度，向一家逻辑市场客户交付了首台混合键合设备。在 2024 年内，又获得了两台用于高带宽内存（HBM）应用的新一代混合键合设备的订单，这些设备计划在 2025 年中期交付。在今年 7 月 23 日的 2025 年第二季度财报电话会议上，ASMPT 指出，计划在第三季度向 HBM 客户交付这些下一代系统。

但在这个领域的竞争中，韩国厂商表现得尤为突出。凭借同时拥有 SK 海力士和三星这两大 HBM 巨头，韩国成为了全球设备厂商的 “角斗场”。在这场技术竞赛中，本土的设备厂商凭借近水楼台的优势，迅速崛起。韩美半导体（Hanmi Semiconductor）和韩华半导体（Hanwha Semitech）作为两大 TC 键合设备的供应商，也是混合键合这一赛道上的两支主要力量。最近，LG 电子也想进来分一杯羹。

作为 HBM 键合领域的先行者，韩美半导体凭借其深厚的技术积累和市场主导地位，展现出强劲的实力。该公司成立于 1980 年，拥有约 120 项 HBM 设备相关专利，尤其在 HBM3E 的 12 层生产用 TC 键合机市场，占据了超过 90% 的市场份额，是 SK 海力士和美光的核心供应商。

在混合键合领域，韩美半导体同样具备先发优势。其首席财务官 Mave Kim 透露，公司早在 2020 年就制造出第一台混合键合机。为加速商业化进程，韩美半导体已投资 1000 亿韩元，在仁川建设一座占地超过 14,500 平方米的混合键合机工厂，计划于 2026 年下半年竣工，并力争在 2027 年底实现商业化。此外，韩美半导体还与半导体设备公司 TES 签署了技术合作协议，旨在结合韩美在键合机上的技术优势和 TES 在等离子、薄膜沉积等领域的专长，共同提升混合键合设备的竞争力。

而韩华半导体作为韩美半导体的竞争对手，也毫不示弱。其近期宣布已完成第二代混合键合机的开发，直接向韩美半导体发起挑战。韩华半导体也是 SK 海力士主要的 TC 键合机供应商，今年赢得了 SK 海力士价值约 805 亿韩元的 TC 键合机设备的订单。两家公司在 TC 键合机领域的激烈竞争关系，预示着混合键合领域的角逐将更加白热化。

除了这些传统的设备厂商，韩国电子巨头 LG 电子正在通过 “曲线” 战略，强势进军混合键合设备市场。据韩媒 Pulsed 的报道，LG 正联合仁荷大学、庆北科技园区和小型设备制造商组成联盟，开展 “HBM 混合键合机开发” 国家项目。LG 的目标是 2028 年完成概念验证，2030 年实现全面商业化。虽然这一时间表相对保守，但其入局意义重大。这不仅体现了 LG 对半导体设备业务的战略重视，也表明韩国政府层面正在通过国家项目推动关键技术的国产化。

LG 电子首席执行官赵周完 (Cho Joo - wan) 最近在社交媒体上发帖称，公司 “正在扩大产品组合，通过投资下一代 HBM 生产所必需的专业技术来支持人工智能基础设施”。LG 进军该领域，源于其生产技术中心十年来在半导体设备研发方面的积累。该公司此前已拥有向外包半导体封装测试 (OSAT) 公司供应芯片贴装到基板的标准键合机的经验，并在此基础上，正在向更复杂、更精密的半导体设备领域拓展。LG 还在加快其他设备的开发，包括用于半导体玻璃基板的精密激光系统和用于 HBM 的六面高速检测机，以丰富其设备组合。LG 的强大研发实力和产业整合能力，使其成为混合键合赛道上一股不可小觑的新兴力量。

写在最后

值得注意的是，除了上述三家独立的设备厂商，三星也正通过其设备子公司 SEMES，悄然布局混合键合领域。此举旨在降低对外部供应商的依赖，并增强自身在 HBM 封装上的掌控力。据业界消息，SEMES 正在与三星电子 DS 部门紧密合作，共同攻克混合键合机的技术难题，并力争在今年年底或明年向三星电子提供能够用于量产的混合键合机。这支 “自研力量” 的加入，无疑为韩国的混合键合设备市场增添了更多变数。

当然，作为备受关注的半导体市场，中国本土的混合设备发展也备受瞩目。例如上市公司拓荆科技就在这个设备领域有所布局。初创企业方面，中国半导体键合集成技术领域的领先企业青禾晶元半导体科技（集团）有限责任公司（简称 “青禾晶元”）在年初宣布，正式推出全球首台 C2W&W2W 双模式混合键合设备 SAB8210CWW。据介绍，这款混合键合设备具备多尺寸晶圆兼容、超强芯片处理能力、兼容不同的对准方式等优势，可以帮助客户减少设备投资支出、占地面积以及大幅缩短研发转量产周期等优势，能够为 Micro - LED、NAND/DRAM/HBM 等存储器、堆叠集成电路 (SIC）和系统级芯片 (SoC) 提供广泛的支持。