1、混合鍵合是高集成堆疊最終方案
混合鍵合是實(shí)現(xiàn)高密度堆疊的核心路徑。隨著高性能運(yùn)算帶動(dòng)的多顆芯片垂直互聯(lián)要求提升，傳統(tǒng)的微凸點(diǎn)技術(shù)面臨焊料電遷移、熱遷移、橋連短路等可靠性加劇的問題，不再滿足堆疊尺寸極小、I/O密度要求極高的堆疊需求，混合鍵合（或稱Cu-Cu直接鍵合）工藝應(yīng)運(yùn)而生。倒裝鍵合工藝pitch尺寸在50~100μm、熱壓鍵合工藝可將pitch size縮小到20μm，而要進(jìn)一步縮小尺寸，則必須求助于混合鍵合工藝?；旌湘I合的本質(zhì)是，將銅/SiO2打磨出極其光滑的表面，稍微施加壓力或高溫，在范德華力的作用下，就可以實(shí)現(xiàn)永久鍵合。由于Cu-Cu、SiO2-SiO2、Cu-SiO2界面間都可以同時(shí)鍵合，因此稱為混合鍵合。該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在低粗糙度的磨平方法、高精度的對(duì)準(zhǔn)方法、晶圓翹曲的控制方法和銅焊盤凹陷的控制方法等。為了增強(qiáng)表面結(jié)合力，需要增加等離子活化等工序，再通過高精度倒裝熱壓，實(shí)現(xiàn)多界面間的混合鍵合。混合鍵合的核心要素有三：高潔凈度（nm級(jí)控制）、高平整度及粘合強(qiáng)度，因此需要先進(jìn)的前端設(shè)備及更貴的潔凈室。可以看出，混合鍵合更類似于前道工藝，而非后道封裝工藝。
（混合鍵合能實(shí)現(xiàn)最高密度堆疊）
2、W2W趨近成熟，D2W正崛起
混合鍵合工藝混合鍵合可分為Wafer to Wafer 及Die to Wafer兩類。前者主要應(yīng)用于3D NAND、CIS等Wafer間堆疊，對(duì)準(zhǔn)精度要求極高，偏移量在小百nm以內(nèi)，目前已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。典型代表如長(zhǎng)存3D NAND X-stacking架構(gòu)，先在CMOS外圍電路和NAND存儲(chǔ)陣列兩片晶圓上完成獨(dú)立的制造工藝，再通過混合鍵合的方式進(jìn)行兩片晶圓的鏈接。目前 EVG約占據(jù)W2W混合鍵合82%市場(chǎng)，其次為TEL公司。EVG單臺(tái)設(shè)備價(jià)值量約為 500~800萬歐元/臺(tái)。
Die to Wafer則主要應(yīng)用于芯片異構(gòu)集成，例如SoIC、未來HBM4堆疊等，對(duì)準(zhǔn)精度要求一致，但對(duì)機(jī)臺(tái)速率及清潔度提出更高要求。當(dāng)前，D2W尚未十分成熟，BEIS憑借其機(jī)臺(tái)優(yōu)異良率，基本成為該領(lǐng)域核心玩家。臺(tái)積電SoIC平臺(tái)即基于此工藝，AMD 2023年發(fā)布的AI芯片MI300系列產(chǎn)品即搭配SoIC和CoWoS封裝，實(shí)現(xiàn)12顆晶粒的chiplet堆疊。蘋果M5系列芯片也計(jì)劃采用臺(tái)積電SolC封裝技術(shù)。為滿足客戶需求，臺(tái)積電持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，2023年底SoIC月產(chǎn)能2000片，目標(biāo)2024年底6000片/月，2025年有望提升至 1.4~1.45萬片/月。當(dāng)前，Besi設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)10μm以下的連接點(diǎn)間距0.5-0.1μm的對(duì)準(zhǔn)精度，以及1w~100w連接點(diǎn)/mm2的連接密度。單臺(tái)設(shè)備價(jià)值量也迅速提升，以Besi為例，同系列倒裝用固晶機(jī)單價(jià)大約50萬美元/臺(tái)，而混合鍵合設(shè)備單價(jià)將提升至150~250萬美元。
3、受AI算力拉動(dòng)，混合鍵合空間廣闊
當(dāng)前，混合鍵合設(shè)備尚處于產(chǎn)品導(dǎo)入期，在圖像傳感器、邏輯芯片和存儲(chǔ)器領(lǐng)域初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。三星將在XCube、Saint平臺(tái)上均將采用混合鍵合，分別用于內(nèi)存-內(nèi)存、邏輯芯片-存儲(chǔ)芯片/邏輯芯片的堆疊，英特爾則將把其應(yīng)用在Foveros上，有望在2024年率先實(shí)現(xiàn)邏輯芯片與互連器之間的混合鍵合技術(shù)。此外，海力士也可能率先使用混合鍵合至其 HBM4芯片上。混合鍵合核心應(yīng)用主要為：邏輯端，SoIC 3D chiplet堆疊、SRAM+Logic堆疊及GAA背面供電；存儲(chǔ)端，3D NAND(W2W)、HBM(>16層，D2W)、3D DRAM等；及背照式CMOS圖像傳感器。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，當(dāng)前雖然還沒有HBM應(yīng)用混合鍵合，隨著堆疊層數(shù)增加、集成度要求更高，2028年混合鍵合工藝預(yù)計(jì)將占據(jù)HBM所用工藝的36%。根據(jù)Besi預(yù)測(cè)中性假設(shè)下，2030年對(duì)混合鍵合系統(tǒng)需求將達(dá)到1400臺(tái)，以200萬歐元測(cè)算，設(shè)備市場(chǎng)累計(jì)總空間為28億歐元。根據(jù)Yole測(cè)算，2027年W2W和D2W混合鍵合設(shè)備市場(chǎng)空間預(yù)計(jì)達(dá)到5億/2.3億美元?；旌湘I合已成為全球半導(dǎo)體設(shè)備廠重點(diǎn)布局方向，包括AMAT、ASMPT、Shibaura、TEL、SUSS等紛紛入局，國(guó)內(nèi)大陸公司包括拓荊科技、華卓精科等。
（混合鍵合設(shè)備示意圖，圖片來源自網(wǎng)絡(luò)）
4、隱冠解決方案及特點(diǎn)
針對(duì)半導(dǎo)體混合鍵合設(shè)備這個(gè)領(lǐng)域，隱冠基于多年的精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可提供高速、高精度的粗微動(dòng)架構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于晶圓快速到位，可提供高速、高精度的氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，對(duì)于超精密晶圓對(duì)位，可提供nm級(jí)定位精度的壓電定位平臺(tái)。對(duì)于Z軸，可定制磁浮式音圈電機(jī)、主動(dòng)式水冷音圈電機(jī)、磁力彈簧等核心零部件解決方案，有效提高Z軸的精度，降低Z軸發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)。通過隱冠高度模塊化的設(shè)計(jì)，更加便于客戶以低擁有成本來實(shí)現(xiàn)極大的配置靈活性。
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