混合鍵結（Hybrid Bonding），主要用於在晶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黏合劑（通常是氧化物或聚合物）的方法，能夠在微觀尺度上實現晶片間的直接電連接，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（高頻寬儲存）晶片莫屬。這兩年，隨著生成式AI技術的快速崛起，HBM和AI晶片的發展勢如破竹。為了迎合市場需求，儲存製造商加速了HBM晶片的研發，混合鍵合一度成為實現下一代HBM（HBM4）中的重要技術。

然而近日產業的風向似乎發生了一些轉變，混合鍵合，是3D封裝的未來？還是曇花一現？

下一代HBM棄用混合鍵結？

在下一代的HBM晶片規劃中，兩大重量級玩家SK海力士（55%的市佔）和三星（41%），此前正在HBM4中積極推進「混合鍵合」新製程的開發。

為何要採用混合鍵結？在此之前，讓我們先來了解下HBM的標準發展。自2013年10月開始，JEDEC開始發布HBM的標準，至今已經發布了5代HBM標準和產品，分別是HBM、HBM2、HBM2E、HBM3、HBM3E。如下圖所示，每一代HBM標準都主要圍繞著提供更高的頻寬和容量來製定，當然還有更低的功耗等其他功能。

要實現下一代更高容量和更高頻寬的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2026年量產。目前HBM3堆疊了12層，HBM4堆疊的數量可能高達16層，多了4層。隨著層數變高，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晶片的標準厚度——720微米（μm）。

如何解決呢？一種方式是基於現有的互聯技術，將每個DRAM層磨薄，但這不能保證其可靠性；另一種方式是DRAM層與層之間從互聯的填充物方面下手，考慮去掉內部的凸塊。

現在的HBM內部透過TSV+填充物的方式來連接DRAM層。三星與SK海力士的方法有所差別：三星採用TC 焊接法，即在DRAM之間夾上一層不導電的黏合劑薄膜(NCF)，然後進行熱壓；SK海力士採用MR-MUF（大規模回流注塑填充）技術，對整個HBM 進行加熱和焊接，然後在晶片之間放置液態保護材料以填充縫隙。這些填充物在其中佔據了一定的厚度，因此廠商開始考慮去除這些填充物，改用混合鍵合的方式。如前文所述，混合鍵合可以直接實現晶片和晶圓之間的互聯，由於不使用凸塊，因此有利於減少封裝厚度。

混合鍵結的概念圖。展示如何通過去除現有鍵合中晶片之間的凸塊來減少整體封裝厚度（左）

混合鍵結的優點主要有三大面向：

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，僅透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，相較於直徑百微米的錫球和TSV，混合鍵結製程的銅觸點的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，透過晶圓鍵合可以實現大面積高密度的互聯，對產能的提升的貢獻是飛躍性的！自然，生產成本也可以得以降低。

SK海力士和三星都對混合鍵結技術進行了不少研究。例如，SK海力士在IEDM 2023上，就透露了其已確保HBM製造中使用的混合鍵合製程的可靠性。從公開資訊來看，SK海力士預計將在2025至2026年間實現其混合鍵合技術的商業化。

就在大家以為混合鍵結將成為HBM4的基本技術時，一則訊息可能會改變這個發展趨勢。根據zdnet通報，制定HBM4標準的標準化組織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標準，有業內消息稱，利用現有的鍵合技術就可以充分實現16層HBM4。

據悉，制定標準的實體包括記憶體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、美光三大記憶體公司從供應商的角度堅持775微米。但由於部分參會企業表達了不同意見，第一輪磋商最終並未得出明確結論。目前，業界正在等待第二次諮詢。

不過，圍繞HBM4的封裝生態系的方向很可能將根據該協議的方向來確定。

混合鍵結的商用並不是易事。相較於傳統互聯技術，混合鍵合的製程更複雜，增加了一些未使用過的技術，如混合鍵合製程涉及在真空室中將等離子體輻射到DRAM 晶片以激活接合處的表面。這是現有封裝製程尚未使用的技術。而且，混合鍵結技術尚處於起步階段，產業鏈配套能力不足，相關設備和材料的成本較高，最終導致混合鍵結技術很昂貴。

因此，在滿足所有客戶要求的情況下，記憶體製造商希望盡可能避免在HBM4 中引入混合鍵合。

這家混合鍵結設備公司遭殃了

而這則新聞，對於早期投入混合鍵結設備的供應商Besi產生了重大的影響。從3月7日到3月12日，Besi的股價一路下跌，跌去了約23%。成立於1995年5月的BE Semiconductor Industries NV（Besi），是一家荷蘭半導體設備公司。這家荷蘭設備製造商因為所生產的混合鍵合設備，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成為歐洲科技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購買50台混合式鍵合機。也是在這之後的2年裡，Besi的營收大幅上漲，2021年期營收達7.49億歐元，年增73%。

Besi過去5年的營收和毛利率趨勢

2023年受到市場不景氣的影響，其營收有所下滑，但其財報指出，該公司在光子學、混合鍵合和2.5D 邏輯/記憶體應用領域實現強勁增長。2023年與前一年相比，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1.66 億歐元的訂單中約有一半是新型混合鍵結機。

Besi也在2023年財報中指出，混合鍵結技術的採用日益增加，具體表現在：設備安裝基數增至40台設備並且在多條生產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產品的首批訂單。為晶圓首次交付了TCB晶片。為2.5D HBM/邏輯設備首次運送翻轉晶片系統。

Besi也與應用材料在混合鍵結領域也有著密切的合作。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整合的基於晶片的混合鍵合設備解決方案。完整的基於晶片的混合鍵合設備解決方案需要廣泛的半導體製造技術以及高速和極其精確的小晶片貼裝技術。應用材料在蝕刻、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)和製程控制中的知識可以幫助Besi來開發混合鍵結新設備。

Besi公司高階封裝互連技術的路線圖

Datacon 8800 CHAMEO ultra plus是Besi的晶片到晶圓鍵合機。這是第一台大批量晶片到晶圓混合鍵合機，自2022年開始生產。2023年，Besi正在開發下一代100奈米精度的混合鍵結系統。

Datacon 8800 CHAMEO

股市的波動反映了其脆弱性。如果HBM4標準確實放寬了厚度，那麼市場對Besi及其混合鍵合設備的需求可能會大幅下降或延期採購（可能要到2026年之後才會採用該技術）。Besi在混合鍵結技術研發方面投入了大量資金，2023年，Besi總研發支出達到6,390萬歐元，佔總營收的11.0%，與2019年相比成長了66%。如果該技術無法廣泛應用，這些研發投入將可能成為沉沒成本。

Besi最近3年研發支出狀況

混合鍵合，仍然是大勢所趨！

儘管面臨許多挑戰，混合鍵合技術仍是未來晶片互聯技術的發展方向之一。目前，混合鍵合已成功用於商業生產資料中心和其他高效能運算應用的高階邏輯設備。

AMD 是第一家推出採用銅混合鍵結晶片的供應商。在AMD Ryzen 7 5800x的小晶片設計中，就採用了台積電的混合鍵合技術SoIC，將7nm 64MB SRAM堆疊並鍵合到7nm 處理器上，使內存密度增加了兩倍。

Meta在2024 IEEE 國際固態電路會議(ISSCC)介紹了其最新的AR處理器，這是一個3D堆疊晶片，其中就使用了混合鍵合製程。原型晶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記憶體，它們面對面晶圓對晶圓混合鍵合的製程鍵結在一起。據其稱，該3D晶片可以同時追蹤兩隻手，功耗比單一晶片僅追蹤一隻手的功耗少40%。更重要的是，速度提高了40%。

Meta的AR處理器原型晶片

混合鍵合的潛在應用還有很多，Yole指出，晶片到晶圓混合鍵合技術即將滲透到伺服器、資料中心以及未來的行動應用處理器（APUs）系統中。Besi也表示，混合鍵結有潛力在未來十年成為3奈米以下元件的領先組裝解決方案。預計儲存領域未來貢獻混合鍵結設備明顯增量，保守預計2026年需求量超過200台。

混合鍵結的潛在市場應用

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採用。台積電、英特爾和三星都是混合鍵結技術的擁護者。具體來看，台積電是迄今唯一將混合鍵結商業化的晶片公司。三星已經在天安園區封裝生產基地建造混合鍵結產線，預計將用於X-Cube 和SAINT 等下一代封裝解決方案。英特爾計畫將此技術應用於其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，其中晶圓間鍵結是關鍵步驟。

Besi預估，混合鍵結市場的規模處於其預估市場大小的中點。預計最大的半導體生產商將在未來五年內採用此技術，之後OSAT廠商也會進一步採用。混合鍵結設備的平均售價將顯著高於目前最先進的Flip chip（倒裝晶片）或TCB鍵結系統。根據Besi估計，每台鍵合設備的成本在200萬至250萬歐元之間。

從國內情況來看，多家設備製造商正積極進入混合鍵結領域。據了解，拓荊科技的晶圓對晶圓鍵結產品（Dione300）已實現產業化應用，晶片對晶圓鍵結表面預處理產品（Pollux）已出貨至客戶端驗證。芯源微的臨時鍵合機、解鍵結機已實現國內多家客戶訂單導入。華卓清科的UP HBS300晶圓級鍵結機對標的是國際廠商EVG。另外，去年12月完成新一輪超億元融資的國產設備廠商芯睿科技，主攻半導體晶圓鍵合設備，目前wafer to wafer的混合鍵結研發已經在進行當中。國內廠商在混合鍵結領域的快速發展，將為我國半導體產業的升級提供強力支撐。

整體來看，晶圓間混合鍵合已成為一種很有前景的3D整合技術，可實現不斷增加的I/O 密度以及功能晶片之間更有效率的連接。隨著技術的不斷進步和產業鏈的完善，混合鍵結技術可望在更多領域得到應用，國內設備廠商也將迎來更大的發展機會。