【先进封装】国产键合技术全面向低温常温混合键合转型

【湾芯展推荐】本文涉及的相关厂商：Adeia、imec、TEL、EVG、Canon、Applied Materials、TSMC、Sony、SK海力士、AMD、NVIDIA、BESI、长江存储、青禾晶元、拓荆科技、芯慧联、快克芯、安集科技、合明科技等。

一、混合键合已从“实验室技术”走向“大规模量产”

根据 MRFR 的分析，2024 年半导体键合市场规模估计为 7.6548 亿美元。预计半导体键合行业将从 2025 年的 7.8929 亿美元增长到 2035 年的 10.7212 亿美元，在 2025 年至 2035 年的预测期内，复合年增长率 (CAGR) 为 3.11%。

*Market Research Future®

* imec：Cu-Cu混合键合（Hybrid Bonding）机理图

国际混合键合产业链已日趋完善，从材料到设备再到代工，混合键合已经从“实验室技术”走向了“大规模量产”。

从 Adeia、imec 等提供的IP 与工艺研发，到TEL、EVG、应用材料等设备厂商提供的亚微米级键合设备，再到台积电、索尼、SK海力士等制造巨头（IDM与Foundry）的产线落地。目前，这一技术链条已成功打通了从上游材料、设备到下游AMD、NVIDIA 等芯片设计厂商的商业闭环。

全球混合键合市场呈现“双寡头设备+IP墙”格局，EVG与BESI垄断核心设备，Adeia构筑专利壁垒。然而，AI算力对HBM4的迫切需求为国内打开了巨大的D2W市场缺口。国产厂商正通过“设备定制化”与“材料国产化”在剩余的技术空间中通过差异化策略寻求突围。

二、主流键合技术（W2W、D2W与SAB）代表厂商分析

根据工艺原理与应用场景，混合键合技术主要演化为三大子路径W2W、D2W和SAB 技术：

· W2W / D2W：“常温预键合+高温退火（>300°C，针对有Cu-Cu键合的需求）”熔融键合工艺。适用于硅基逻辑/存储（CTE匹配）。属于主流混合键合技术，这正是国际巨头（Adeia, EVG）专利壁垒最森严的“主航道”，也是目前大规模量产（3D NAND, HBM, AI Chip）的绝对主流。

· SAB 技术：全程常温（针对无需Cu-Cu键合的异质集成领域），比如异质集成（SiC/GaN/LNOI+Si、CPO等异质材料，CTE不匹配）。这些异质集成材料是光通信和新能源汽车的核心，必须用低温工艺。这不仅是技术选择，更是基于中国庞大新能源汽车市场的应用侧优势。常温预键合+低温退火（W2W与C2W），在SAB技术加持下，可大幅降低混合键合的热预算（＜200°C甚至更低），有效抑制了对准偏移与翘曲，是提升高密度互连良率的关键。

1. Wafer-to-Wafer (W2W)：晶圆对晶圆键合，效率最高，适用于良率极高的存储器（3D NAND）、图像传感器（CIS）。

·代表技术（长江存储 Xtacking）： 传统3D NAND将外围电路与存储单元在同一晶圆上加工。长江存储Xtacking架构创新性地将外围电路（负责I/O速度）与存储单元（负责容量）分别在两片晶圆上制造，利用W2W混合键合技术通过金属垂直互联通道（VIAs）连接。

*长江存储的Xtacking®架构

· 优势： 该技术突破了光刻机对逻辑电路制程的限制，实现了业界领先的I/O速度和存储密度，同时缩短了研发周期。

2. Die-to-Wafer (D2W)： 芯片对晶圆键合，引入KGD（已知好晶粒）策略，适用于高价值的AI芯片与HBM、高端Logic堆叠。对于HPC/AI应用，D2W混合键合技术比W2W更为有用。

· 代表技术（台积电 SoIC/SoIC+）： 台积电SoIC（System on Integrated Chips）不仅是封装技术，更是3D制造技术。它采用“无凸点（Bumpless）”的D2W混合键合，将不同制程（如7nm CPU + 12nm I/O Die）或同制程的Chiplet在垂直方向直接贴合。

*台积电（TSMC）的 SoIC/ SoIC+技术路线图(混合键合是核心)

· 优势： 相比传统微凸点（Micro-bump），SoIC将互联间距缩微至10μm以下，寄生电容和电阻极低，大幅提升了带宽密度和能效比，是AMD MI300等顶级算力芯片的核心基石。

3. Surface Activated Bonding (SAB/ComBond)：表面活化键合，利用超高真空或离子束活化实现低温/常温键合，适用于异质材料（SiC-Si, GaN-Si等）。

a)代表技术（青禾晶元SAB / Canon ADB）：由佳能（Canon）率先实现工业化，国内新锐领军企业青禾晶元已成功攻克并实现量产替代。二者在核心原理上高度一致。其原理是通过离子源轰击去除待键合材料表面的氧化层和污染物，使表面原子处于高能活化状态（暴露出悬挂键），将两个活化后的表面贴合时，原子间会自发形成共价键，从而在室温下实现高强度的气密性结合。

差异：佳能目前正在利用其在光刻机上的对准技术优势，结合SAB技术，向更高端的混合键合进军，试图挑战 EVG 和 Besi 的地位。青禾晶元最新推出了一款 “双模式”混合键合设备，能够在一台机器上同时支持“晶圆对晶圆（W2W）”和“芯片对晶圆（C2W）”两种模式。这种高灵活性的设计是佳能等传统大厂较少采用的，非常适合客户进行不同工艺路线的研发验证。

优势：避免了传统高温退火带来的热应力和材料损伤，彻底解决了异质材料在高温下产生裂纹的物理难题。同时，通过大幅降低混合键合的热预算（至200°C以下），有效抑制了对准偏移与翘曲，是提升高密度互连良率的关键。

b)代表技术（EVG® ComBond®）：代表了“共价键合”的工业化巅峰，其核心在于独特的ComBond 活化模块 (CAM)。在超高真空（UHV）环境中，该系统首先利用高能粒子束去除晶圆表面的自然氧化层（Native Oxide）和有机污染物，随后利用表面活化工艺使金属原子裸露。在整个过程中，晶圆始终处于高真空保护下，防止再次氧化，最后在室温或低温下将两片晶圆压合，形成共价键。

优势：EVG最大的突破在于实现了“无氧化层”的导电界面。不仅大幅降低了键合界面的电阻，提升了电气性能，而且允许在<200°C 甚至室温下完成键合。这对于那些对温度敏感的 MEMS、化合物半导体（如SiC、GaN等）与Si基逻辑电路的异质集成至关重要，有效避免了高温导致的一致性问题。

三、低温/常温SAB技术对国内键合市场的特殊意义

互联技术正“从TCB热压（微凸点）” -> “传统W2W/D2W混合键合（无凸点，需高温退火）” -> “SAB常温混合键合（无凸点，全室温（异质集成）/ 常温预键合+低温退火（W2W与C2W））演进。

国内在低温/常温路径上的差异化发展，不仅仅是技术跟随，更是深度契合本土产业链现状与终端应用需求的必然选择。

*国产混合键合产业链（设备与材料）厂商关键指标

特殊意义：

1. 绕开良率瓶颈

国内前道晶圆制造CMP（化学机械抛光）后的表面平坦度与一致性上，相较台积电等国际大厂仍有追赶空间。

· 主流的W2W/D2W混合键合虽然先进，但其“高温退火（＞300℃）”环节会极大地放大晶圆的残余应力，导致晶圆翘曲（Warpage）和对准偏移，这在非完美的前道工艺下会引发良率雪崩。

· SAB与ComBond等常温/低温混合键合技术，可实现非金属异质材料键合（全程室温）与Cu-Cu混合键合（退火温度可降至150-200℃）的技术优势。这种“低温化”路径极大减小了晶圆在加热过程中的热应力积累，抑制了晶圆翘曲与对准偏移。能有效包容晶圆表面的微小非均匀性，成为保护国产先进制程良率的“刚需”技术方案。

2. 异质集成需求

与国际巨头聚焦于同质材料（Si-Si）的逻辑/存储堆叠不同，中国拥有全球最大的新能源汽车（SiC）和光通信（LNOI/CPO）终端市场。

· 这些领域的核心在于异质集成（如碳化硅+硅、铌酸锂+硅）。由于异质材料的热膨胀系数（CTE）差异巨大，采用传统需高温退火的混合键合工艺，冷却时产生的热应力足以直接震碎芯片。

· 全程常温的SAB技术是解决这一物理难题的唯一路径。它使得中国庞大的应用市场不必受制于硅基制程，而是可以通过异质堆叠实现器件性能的弯道超车。

3. 键合设备地位跃升

随着键合工艺直接决定芯片的电气性能（I/O速度、带宽密度），传统的“封测设备”与“前道制造设备”界限彻底消失。

· 意义： 掌握SAB等核心常温工艺的设备商（如青禾晶元），不再是配角，而是正在获得类似光刻机厂商的生态地位。特别是在青禾晶元推出支持W2W与C2W“双模式”设备后，这种高灵活性的常温混合键合平台，将成为国内芯片设计公司进行架构创新的核心基础设施。

四、结语

未来的键合竞争，不再是单一设备的单打独斗，而是“国产材料（异质晶圆）+国产设备（双模式键合机）+本土SAB工艺（低温/常温）”形成的整套解决方案与国际标准的博弈。依托国内独有的新能源汽车（SiC）与光通信（LNOI）庞大终端市场，在异质集成这一国际巨头尚未完全垄断的“新航道”上实现领跑。

当混合键合设备获得了如同光刻机般的生态地位时，谁能定义“温度”与“连接”，谁就能掌握后摩尔时代的核心话语权。

参考文献

[1] Yole Group. (2024). Status of the Advanced Packaging Industry 2024. Yole Intelligence.

[2] TSMC. (2023). TSMC 3D Fabric Technology: SoIC for System Scaling. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).

[3] Market Research Future. (2024). Semiconductor Bonding Market Research Report - Global Forecast till 2035.

[4] Lau, J. H. (2022). Recent Advances and Trends in Advanced Packaging. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology.

[5] Prismark Partners LLC. (2023). The Semiconductor Packaging Industry Report 2023.