随着先进封装在算力时代的重要性日益凸显，键合设备成为不可或缺的关键设备。作为韦豪创芯本期月度思考的重要着眼点，本报告力图对键合设备的发展情况进行梳理，为相关投资提供有益的参考意见。
一、晶圆键合
晶圆键合（Bonding）是将两个或多个晶圆通过物理或化学方法紧密结合在一起的工艺。用以实现芯片连接、减小封装尺寸、或者提高晶圆结构强度，避免晶圆在后续加工中变形等各种用途。
后摩尔时代下，通过芯片制程线宽的缩小提升芯片性能的方式越来越困难，芯片设计端和生产制造端转而通过将器件结构从平面MOSFET改为FinFET/GAA等 “鳍” 状立体结构增加了栅极与沟道的接触面积，提升对迁移电子的控制能力及减少漏电现象。在封装集成方面进行Chiplet异构集成封装、CoWoS、HBM等2.5D/3D封装形式提升互联带宽和集成密度，增强性能的同时能够取得性价比。
先进封装追求更高的传输速度、更小的芯片尺寸，作为先进封装的核心技术，键合工艺经历了从最初通过引线框架到倒装（FC）、热压粘合（TCP）、扇出封装（Fan-out）、混合封装（Hybrid Bonding）的演变，追求更快的互联速度。可以看到键合工艺的改进升级极大的推动了I/O接口密度的提升，也就大幅度提升了芯片的传输带宽。
封装形式发展
图片来源：BESI、东吴证券研究所
各大厂商也将先进封装视为关键技术不断推进，例如台积电推出了CoWoS、SoIC等，英特尔推出了EMIB、Foveros 和Co-EMIB等，三星也推出了FOPLP等2.5D/3D堆叠封装技术，海力士、三星、美光等积极投入的HBM存储芯片也同样是采用的3D堆叠方式。封装要求的不断提高，先进封装对键合工艺的要求也越来越高，如更高的键合强度、更好的平整度、更小的键合尺寸等。
二、不同的键合方式的应用场景
①无图形片的键合
无图形片的键合通常会采用临时键合的方案，临时键合一般有临时热压键合和UV固化两种方式。临时键合首先要将临时键合胶通过旋涂或喷涂方式在器件晶圆和载片表面均匀涂布，随后依靠热压临时键合或UV固化临时键合方式，使载片和晶圆键合牢固。
3D堆叠层数的提高受限于堆叠后的厚度、散热、以及后续的TSV工艺的适配性，晶圆减薄工艺成为先进封装的核心工艺。在一些先进的封装应用中，需要将晶圆减薄至50μm以下，晶圆减薄工艺需要引入临时键合、解键合以提供机械支撑。同时也有部分做碳化硅芯片的晶圆厂，考虑到碳化硅的易碎性，在进行研磨或减薄工艺之前，会通过临时键合叠加一片同尺寸的硅片/玻璃圆片，之后进行研磨工艺，可以大幅降低碎片的风险，之后再进行解键合。
②有图形片键合/IC芯片的键合
1）高带宽存储器（HBM），垂直堆叠多个DRAM，通过TSV铜连接，可显著提升传输带宽。HBM早期主要采用TC-NCF热压键合工艺，随着堆叠层数的增加，对散热要求越来越高，SK海力士在最新的HBM3E中率先使用改进的MR-MUF工艺，三星和美光仍以TC-NCF热压键合技术为主。在更高层数的HBM生产中各家预期将陆续引入混合键合工艺。
图片来源：AMD、华安证券研究所
2）传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，随着堆叠层数增加，外围电路面积占比可能超过50%，导致芯片存储密度急剧下降。而长江存储Xtacking技术通过将存储单元和外围电路分别放在两片晶圆上，然后通过垂直互联通道将二者键合。能够显著缓解多堆叠NAND的外围电路占芯片面积，提高存储密度。
图片来源：长江存储、东吴证券研究所
3）采用同样原理的还有CIS芯片，将CMOS感光单元与逻辑电路分别在不同的晶圆上制作，再将2片/3片晶圆键合连接起来，形成堆叠芯片，这种方式不仅提高了感光面积，提升图像传感器的灵敏度、分辨率等关键指标。还可以将CMOS、逻辑电路采用不同的制程工艺生产，提升效率，降低生产成本。
③按键合对象可划分为晶圆-晶圆键合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圆键合（Die-to-Wafer，D2W）
图片来源：EVG、华安证券研究所
1）芯片-晶圆键合（Die-to-Wafer，D2W）
C2W 键合是将单个芯片与整个晶圆进行键合。通常先在芯片和晶圆的表面制备相应的键合层，然后通过施加一定的压力、温度和化学作用等，使芯片与晶圆上对应的位置实现连接。
C2W 键合的灵活性高，可以根据具体需求选择不同类型、不同功能的芯片与晶圆进行键合，适用于小批量、多品种的生产需求，能够快速实现产品的定制化。同时由于是单个芯片与晶圆键合，即使某个芯片存在缺陷，也不会影响其他芯片的键合，只需更换有问题的芯片即可，提高了生产的良率和效率。
但要将单个芯片准确地键合到晶圆上的指定位置，需要高精度的对准技术，否则可能导致芯片与晶圆之间的电气连接不良或机械结合不牢固。另一方面，逐个芯片进行键合，操作步骤较多，相比 W2W 键合方式，生产效率较低，因此在大规模生产时成本相对较高。
2）晶圆-晶圆键合（Wafer-to-Wafer，W2W）
W2W 键合是将两片晶圆直接进行键合。首先对两片晶圆的表面进行处理，使其具有良好的亲水性或形成特定的键合层，然后将两片晶圆精确对准并贴合在一起，在一定的工艺条件下实现晶圆之间的大面积键合。
W2W 键合的生产效率高，一次键合可以完成整个晶圆面的连接，相比 C2W 键合方式，大大减少了键合的次数和时间，适用于大规模生产，能够有效降低生产成本。同时对准精度相对容易控制，由于是两片晶圆整体进行对准，相对于 C2W 键合中单个芯片的对准，更容易实现较高的对准精度，且键合后的一致性较好。
另一方面，灵活性不如C2W 键合，更适合同类芯片进行堆叠，如HBM芯片。缺陷影响范围大，如果其中一片晶圆存在缺陷，那么在键合后整个晶圆的质量都会受到影响，导致整片晶圆报废的风险较高，W2W 键合对晶圆的制造工艺和质量控制要求更为严格。
三、先进封装晶圆键合设备企业
根据YOLE数据，临时键合/解键合设备市场在2027年有望以7%的CAGR增长到1.76亿美元，目前临时键合设备市场规模较小，有待下游生产厂商量产技术突破。键合设备头部厂商BESI预计混合键合工艺将于2025年逐步导入存储器生产，并在2027年左右应用于手机处理芯片。2030年前混合键合设备累计需求预计将超过1400套，对应设备价值量约为28亿欧元。
国内键合设备厂商
公司简称
主要产品
拓荆科技
混合键合
芯源微
临时键合、解键合
华卓精科
临时键合、混合键合
芯慧联
混合键合
吾拾微
临时键合、解键合、永久键合
青禾晶圆
临时键合、解键合、永久键合
芯睿科技
临时键合、解键合
上海微电子
混合键合
在键合设备领域，全球主要的设备供应商包括BESI、K&S(KulickeandSoffa)、ASMPT、EVG和SUSS等，混合键合设备以荷兰BESI，临时键合与临时解键合设备以奥地利EVG、德国SUSS等企业占据主要市场地位，国产替代处于刚起步阶段。
国内拓荆科技、芯源微、青禾晶元、吾拾微、芯慧联等在晶圆键合设备上布局较早：
拓荆科技的键合机系列包括Dione 300和Dione 300F，主要用于3D IC、先进封装和CIS（图像传感器）等领域，该系列设备可实现在常温下多材料表面的晶圆键合。2023年首台晶圆对晶圆键合产品Dione 300顺利通过客户验证，并获得复购订单。混合键合系列产品还包括芯片对晶圆键合表面预处理产品以及键合套准精度量测产品。
芯源微推出了临时键合机KS-C300-TB及激光/机械解键合机KS-S300-DBL/DBM，主要针对 Chiplet 技术解决方案，兼容国内外主流胶材工艺，能够适配60μm 及以上超大膜厚涂胶需求，可实现高对准精度、高真空度环境、高温高压力键合工艺，键合后产品TTV 及翘曲度表现优异，适配开发的机械、激光解键合技术。
青禾晶元近期发布了全球首台独立研发C2W&W2W双模式混合键合设备SAB 82CWW系列，可用于存储器、Micro-LED显示、CMOS图像传感器、光电集成等领域。该产品采用灵活的模块化设计，将C2W和W2W两种技术路线集成到一台键合设备里面，同时可以兼容8寸、12寸晶圆键合，SAB 82CWW系列提供片间同轴和红外穿透两种对准方式，应对不同尺寸和材质的芯片，实现对准精度±30nm、键合精度±100nm的，C2W单键合头UPH最高可达1000片/小时。通过创新键合技术，青禾晶元的键合设备能够满足Micro-LED对亚微米级对准精度和高可靠性的需求。同时青禾晶元还布局了临时键合、解键合等设备，也可用于自研的异质碳化硅衬底的生产中。
（青禾晶元推出的SAB 82CWW系列混合键合设备）
芯慧联开发的3DSIXI晶圆混合键合设备，适用于12寸晶圆熔融键合及混合键合，可集成对准精度检测和气泡缺陷检测，适用于CIS、3DNAND、DRAM、先进封装。开发的晶圆熔融键合设备，可用于硅、玻璃的基板材料，适用于BSI、半导体光学领域。
吾拾微推出了WSBOND-1000 系列晶圆键合机，是国内较早开始研发键合设备的公司，已开发了临时键合、解键合、以及永久键合设备，目前主要应用在碳化硅、无图形片的键合。吾拾微的键合工艺较为灵活，支持多种键合工艺，如热压键合、共晶键合、阳极键合等，可以根据不同的键合材料和工艺要求，灵活选择合适的键合方式。
（吾拾微电子推出的12英寸晶圆永久键合设备WPB-Heracles300）
也有业内的键合设备厂商反馈，目前产线购买使用的键合设备，很少有同样型号的复购，一部分原因是国内厂商尚未跑通工艺，同时键合设备面向的领域也不一样，HBM、CIS、CoWoS等不同类型的堆叠形式，各家客户也都在摸索适合自己的键合方式，所走路线会有所不同，也就注定了现阶段，键合设备偏向定制化，小批量的模式，键合设备的批量化，需要下游的生产厂商与键合设备厂商、减薄设备厂商、材料厂商等通力合作跑通量产工艺。
投资建议：
从目前主流的技术路线来看，键合设备是对先进封装的核心关键设备之一，对突破HBM、CoWoS、高端CIS等领域的高端集成芯片是必不可少的，具有向前发展的必然性。同时国内量产工艺路线经过4年多发展，部分头部制造厂已取得一定成绩，但到量产应用还有一定时间。
同时考虑临时键合设备市场空间较小，建议关注非单一临时键合/解键合设备厂商，同时还能够做永久键合、混合键合设备，或者制做其他设备的厂商。
考虑到键合设备厂商与下游各类2.5D/3D先进封装制造端的深度绑定程度，待未来2.5D/3D堆叠工艺取得突破，必将带动一起合作开发堆叠工艺的键合设备厂商，建议关注从早期就介入键合设备赛道，并已取得客户验证的键合设备厂商，如拓荆、芯慧联、青禾晶元、吾拾微等。
风险提示：
（1）国产封装厂商及键合设备厂商发展不及预期的风险，等待期漫长；
（2）下游封装厂商可能会优先选择国外设备先期突破，国产键合设备厂商作为backup二供；
（3）行业竞争加剧，已有多家国内企业进入键合设备的赛道，但作为新技术的研发类设备，量产路线尚未完全打通，未来很可能出现一家先突破，赢家通吃的情况，建议深入考察标的公司。
作者：韦豪 张迪半导体投资联盟
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