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混合鍵合，這一備受期待的高級互聯技術，似乎出現了新變故。
混合鍵合（Hybrid Bonding），主要用于在芯片的垂直堆疊中實現互連，在 2.5D 和 3D 封裝領域頗受歡迎。它最大的特點是無凸塊，結合了金屬鍵合和非導電粘合劑（通常是氧化物或聚合物）的方法，能夠在微觀尺度上實現芯片間的直接電連接，同時提供優異的電氣性能和熱管理能力。
對混合鍵合呼聲最高的非 HBM（高帶寬存儲）芯片莫屬。這兩年，随着生成式 AI 技術的迅速崛起，HBM 和 AI 芯片的發展勢如破竹。爲了迎合市場需求，存儲制造商加速了 HBM 芯片的研發，混合鍵合一度成爲實現下一代 HBM（HBM4）中的重要技術。
然而近日行業的風向似乎發生了一些轉變，混合鍵合，是 3D 封裝的未來？還是昙花一現？
下一代 HBM 棄用混合鍵合？
在下一代的 HBM 芯片規劃中，兩大重量級玩家 SK 海力士（55% 的市占）和三星（41%），此前正在 HBM4 中積極推進 " 混合鍵合 " 新工藝的開發。
爲何要采用混合鍵合？在此之前，讓我們先來了解下 HBM 的标準發展情況。自 2013 年 10 月開始，JEDEC 開始發布 HBM 的标準，至今已經發布了 5 代 HBM 标準和産品，分别是 HBM、HBM2、HBM2E、HBM3、HBM3E。如下圖所示，每一代 HBM 标準都主要圍繞着提供更高的帶寬和容量來制定，當然還有更低的功耗等其他功能。
（來源：Rambus）
要實現下一代更高容量和更高帶寬的 HBM，HBM 中的 DRAM 就需要不斷 " 蓋樓 "，也就是要堆疊更多的 DRAM 層。第六代 HBM4 預計于 2026 年量産。目前 HBM3 堆疊了 12 層，HBM4 堆疊的數量可能高達 16 層，多了 4 層。随着層數變高，會出現翹曲和發熱等因素，但最大的挑戰是必須滿足當下 HBM 芯片的标準厚度—— 720 微米（μ m）。
如何解決呢？一種方式是基于現有的互聯技術，将每個 DRAM 層磨薄，但這不能保證其可靠性；另外一種方式是 DRAM 層與層之間從互聯的填充物方面下手，考慮去掉内部的凸塊。
現在的 HBM 内部通過 TSV+ 填充物的方式來連接 DRAM 層。三星和 SK 海力士的方法有所差别：三星采用 TC 焊接法，即在 DRAM 之間夾上一層不導電的粘合劑薄膜 ( NCF ) ，然後進行熱壓；SK 海力士采用 MR-MUF（大規模回流注塑填充）技術，對整個 HBM 進行加熱和焊接，然後在芯片之間放置液态保護材料以填充縫隙。這些填充物在其中占據了一定的厚度，因此廠商們開始考慮去掉這些填充物，改用混合鍵合的方式。如前文所述，混合鍵合可以直接實現芯片和晶圓之間的互聯，由于不使用凸塊，因此有利于減小封裝厚度。
混合鍵合的概念圖。展示了如何通過去除現有鍵合中芯片之間的凸塊來減少整體封裝厚度（左）（來源：XPERI）
混合鍵合的優勢主要有三大方面：
更短的互聯距離：不僅不需要用引線互聯互通，也無需用 TSV 穿過整個 CMOS 層，僅僅通過連接後道的銅觸點就可以實現互聯；
更高的互聯密度：銅觸點的面積非常小，相比直徑百微米的錫球和 TSV，混合鍵合工藝中的銅觸點的 pitch size 甚至都不足 10 微米，無疑可以實現更高的互聯密度；
更低的成本：毫無疑問，針對每顆 Die 單獨進行互聯需要更多的時間，通過晶圓鍵合可以實現大面積高密度的互聯，對産能的提升的貢獻是飛躍性的！自然，生産成本也可以得以降低。
SK 海力士和三星都對混合鍵合技術進行了不少研究。例如，SK 海力士在 IEDM 2023 上，就透露了其已确保 HBM 制造中使用的混合鍵合工藝的可靠性。從公開信息來看，SK 海力士預計将在 2025 至 2026 年間實現其混合鍵合技術的商業化。
就在大家以爲混合鍵合将成爲 HBM4 的基本技術時，一則消息可能會改變這個發展趨勢。據 zdnet 報道，制定 HBM4 标準的标準化組織 JEDEC 目前正在商榷打算放寬 HBM4 的封裝厚度，由 720 微米放寬到 775 微米。如果是按照這個厚度标準，有業内消息稱，利用現有的鍵合技術就可以充分實現 16 層 HBM4。
據悉，制定标準的實體包括存儲器供應商以及無晶圓廠公司，它們是 HBM 的實際客戶。據稱，三星電子、SK 海力士、美光三大内存公司從供應商的角度堅持 775 微米。但由于部分參會企業表達了不同意見，第一輪磋商最終沒有得出明确結論。目前，業界正在等待第二次咨詢。
不過，圍繞 HBM4 的封裝生态系統的方向很可能将根據該協議的方向來确定。
混合鍵合的商用不是易事。相比傳統互聯技術，混合鍵合的工藝流程更加複雜，增加了一些未使用過的技術，如混合鍵合工藝涉及在真空室中将等離子體輻射到 DRAM 芯片以激活接合處的表面。這是現有封裝工藝中尚未使用的技術。而且，混合鍵合技術尚處于起步階段，産業鏈配套能力不足，相關設備和材料的成本較高，最終導緻混合鍵合技術很昂貴。
因此，在滿足所有客戶要求的情況下，内存制造商希望盡可能避免在 HBM4 中引入混合鍵合。
這家混合鍵合設備公司遭殃了
而這則新聞，對于早期投入混合鍵合設備的供應商 Besi 産生了重大的影響。從 3 月 7 日到 3 月 12 日，Besi 的股價一路下跌，跌去了大約 23%。成立于 1995 年 5 月的 BE Semiconductor Industries NV（Besi），是一家荷蘭半導體設備公司。這家荷蘭設備制造商因爲所生産的混合鍵合設備，搭上了 AI 順風車，獲得了市場和投資者的關注。整個 2023 年，Besi 的股價大漲了 141%（從 2022 年的 56.56 歐元，到 2023 年末的 136.45 歐元），使 Besi 成爲歐洲科技行業估值最高的公司之一。
台積電是 Besi 的老客戶，兩家公司在鍵合機領域已經合作了 8 年多。2021 年，在新冠危機期間的半導體熱潮中，Besi 宣布英特爾和台積電均承諾采購 50 台混合鍵合機。也是在這之後的 2 年裏，Besi 的營收大幅上漲，2021 年期營收達到 7.49 億歐元，同比大增 73%。
Besi 過去 5 年的收入和毛利率趨勢
（來源：Besi 财報）
2023 年受到市場不景氣的影響，其營收有所下滑，但是其财報指出，該公司在光子學、混合鍵合和 2.5D 邏輯 / 内存應用領域實現強勁增長。2023 年與上一年相比，該公司的訂單量大約增加了一倍。其中比較亮眼的是，Besi 第四季度 1.66 億歐元的訂單中約有一半是新型混合鍵合機。
Besi 還在其 2023 年财報中指出，混合鍵合技術的采用日益增加，具體表現在：設備安裝基數增至 40 台設備并且在多條生産線上安裝了幾套系統。客戶數量增加。與 2022 年相比，訂單量和年終庫存量翻倍。收到 HBM 産品的首批訂單。爲晶圓首次交付了 TCB 芯片。爲 2.5D HBM/ 邏輯設備首次運送翻轉芯片系統。
Besi 還與應用材料在混合鍵合領域也有着密切的合作。2020 年 10 月，Besi 和應用材料公司簽署了一份聯合開發協議，兩家在新加坡建立了一個中心來開發業界首個集成的基于晶片的混合鍵合設備解決方案。完整的基于芯片的混合鍵合設備解決方案需要廣泛的半導體制造技術以及高速和極其精确的小芯片貼裝技術。應用材料在刻蝕、化學氣相沉積 ( CVD ) 、物理氣相沉積 ( PVD ) 、銅電鍍、化學機械平坦化 ( CMP ) 和過程控制中的知識可以幫助到 Besi 來開發混合鍵合新設備。
Besi 公司高級封裝互連技術的路線圖
Datacon 8800 CHAMEO ultra plus 是 Besi 的芯片到晶圓鍵合機。這是第一台大批量芯片到晶圓混合鍵合機，自 2022 年開始生産。2023 年，Besi 正在開發下一代 100 納米精度的混合鍵合系統。
Datacon 8800 CHAMEO
股市的波動反映了其脆弱性。如果 HBM4 标準确實放寬了厚度，那麽市場對 Besi 及其混合鍵合設備的需求可能會大幅下降或延期采購（可能要到 2026 年之後才會采用該技術）。Besi 在混合鍵合技術研發方面投入了大量資金，2023 年，Besi 總研發支出達到 6390 萬歐元，占總收入的 11.0%，與 2019 年相比增長了 66%。如果該技術無法得到廣泛應用，這些研發投入将可能成爲沉沒成本。
Besi 最近 3 年研發支出情況
混合鍵合，仍然是大勢所趨！
盡管面臨着諸多挑戰，混合鍵合技術仍是未來芯片互聯技術的發展方向之一。目前，混合鍵合已經成功用于商業生産數據中心和其他高性能計算應用的高端邏輯設備。
AMD 是第一家推出采用銅混合鍵合芯片的供應商。在 AMD Ryzen 7 5800x 的小芯片設計中，就采用了台積電的混合鍵合技術 SoIC，将 7nm 64MB SRAM 堆疊并鍵合到 7nm 處理器上，使内存密度增加了兩倍。
來源：Besi
Meta 在 2024 IEEE 國際固态電路會議 ( ISSCC ) 介紹了其最新的 AR 處理器，這是一個 3D 堆疊芯片，其中就使用了混合鍵合工藝。原型芯片是兩個尺寸相同的 IC：4.1 x 3.7 毫米，每個矽片上都具有邏輯和存儲器，它們面對面晶圓對晶圓混合鍵合的工藝鍵合在一起。據其稱，該 3D 芯片可以同時跟蹤兩隻手，功耗比單個芯片僅跟蹤一隻手的功耗少 40%。更重要的是，速度提高了 40%。
Meta 的 AR 處理器原型芯片
混合鍵合的潛在應用還有很多，Yole 指出，芯片到晶圓混合鍵合技術即将滲透到服務器、數據中心以及未來的移動應用處理器（APUs）系統中。Besi 也表示，混合鍵合有潛力在未來十年成爲 3 納米以下器件的領先組裝解決方案。預計存儲領域未來貢獻混合鍵合設備明顯增量，保守預計 2026 年需求量超過 200 台。
混合鍵合的潛在市場應用
（來源：Besi）
目前，全球最大的晶圓廠商們正在評估其在未來封裝路線圖中的采用。台積電、英特爾和三星都是混合鍵合技術的擁護者。具體來看，台積電是迄今爲止唯一一家将混合鍵合商業化的芯片公司。三星已經在天安園區封裝生産基地建設混合鍵合産線，預計将用于 X-Cube 和 SAINT 等下一代封裝解決方案。英特爾計劃将這一技術應用于其 3D 封裝技術 Foveros Direct，其中值得一提的是，英特爾正在發展背面供電（PowerVia）技術，其中晶圓間鍵合是關鍵步驟。
Besi 預估，混合鍵合市場的規模處于其預估市場大小的中點。預計最大的半導體生産商将在未來五年内采用此技術，之後 OSAT 廠商也會進一步采用。混合鍵合設備的平均售價将顯著高于目前最先進的 Flip chip（倒裝芯片）或 TCB 鍵合系統。據 Besi 估計，每台鍵合設備的成本在 200 萬至 250 萬歐元之間。
從國内情況來看，多家設備制造商正積極進入混合鍵合領域。據了解，拓荊科技的晶圓對晶圓鍵合産品（Dione300）已實現産業化應用，芯片對晶圓鍵合表面預處理産品（Pollux）已出貨至客戶端驗證。芯源微的臨時鍵合機、解鍵合機已實現國内多家客戶訂單導入。華卓清科的 UP HBS300 晶圓級鍵合機對标的是國際廠商 EVG。另外，去年 12 月完成新一輪超億元融資的國産設備廠商芯睿科技，主攻半導體晶圓鍵合設備，目前 wafer to wafer 的混合鍵合研發已經在進行當中。國内廠商在混合鍵合領域的快速發展，将爲我國半導體産業的升級提供有力支撐。
總體來看，晶圓間混合鍵合已成爲一種很有前景的 3D 集成技術，可實現不斷增加的 I/O 密度以及功能芯片之間更高效的連接。随着技術的不斷進步和産業鏈的完善，混合鍵合技術有望在更多領域得到應用，國内設備廠商也将迎來更大的發展機遇。
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