决战混合键合

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在存储领域，键合方式一直是几家厂商关心的核心问题。随着先进封装技术的发展，尤其是3D NAND和高带宽存储器（HBM）不断迈向更高堆叠层数与更紧密互连，对键合技术的精度、密度与良率提出了前所未有的挑战。在这一背景下，“混合键合”（Hybrid Bonding）正迅速从实验室技术走向大规模量产，成为存储芯片制造的新支柱。

传统的热压键合或微凸点互连（micro-bump）方案，虽然已经在一定程度上满足了过去十年的工艺需求，但在纳米间距、信号完整性、功耗控制以及互连密度上，逐渐面临瓶颈。尤其是在HBM领域，随着HBM3E甚至HBM4的推进，对数百至上千条TSV通道的高速、低功耗垂直互连需求迫切，而这正是混合键合可以发挥最大优势的地方。

混合键合通过原子级平整的接触面，实现金属与金属、氧化物与氧化物的同步键合，消除了传统bump结构带来的尺寸限制与寄生效应，使得信号传输路径更短、功耗更低、速率更高。在3D NAND中，混合键合有望取代部分“通孔穿氧化层”（TCAT）或“CMOS-under-array”等结构，为更高堆叠层数（如300层以上）的稳定制造打开新路径。

行业领军厂商如美光（Micron）、SK海力士（SK hynix）和三星（Samsung）已在HBM4和下一代CUBE架构中布局混合键合技术，可以预见，混合键合不仅是一项工艺革新，更是未来存储与高性能计算互连方式的关键所在，其战略地位日益凸显。

激进的三星

三星无疑是对混合键合最为热衷的存储厂商之一。

早在去年6月，The Elec报道称，尽管三星在其 12 层堆叠 HBM 之前一直在使用热压键合，但其确认，混合键合对于制造 16 堆叠 HBM 是必要的。

据报道，三星在其 12 层堆叠 HBM 之前一直使用热压键合技术。然而，现在三星更加注重混合键合技术在降低高度方面的能力，这对于 16 叠层 HBM 来说至关重要。通过进一步缩小芯片之间的间距，三星可以在 775 微米的尺寸内安装 17 个芯片（一个基础芯片和 16 个核心芯片）。

报道称，关于其未来的HBM路线图，三星计划在2025年生产其HBM4样品，该样品主要为16层堆叠，并计划于2026年实现量产。而在2024年4月，三星还使用了其子公司Semes的混合键合设备生产了一个16层堆叠的HBM样品，并表示该样品运行正常。

而在今年7月，三星宣布，最快将从HBM4E（第七代高带宽存储器）16层堆叠开始，应用混合键合（Hybrid Bonding）技术。目前该技术正处于样品测试阶段，其商业前景和投资成本被认为是实现量产的关键因素。

三星电子常务金大祐在7月22日举行的“2025商用半导体开发技术研讨会”上，介绍了面向下一代半导体的封装技术路线图。根据当天公布的技术路线图，三星计划最快从HBM4E（第七代）开始导入混合键合技术。为此，三星正在向客户提供基于混合键合的16层HBM样品，并进行评估测试。

金大祐表示：“即使是16层堆叠的HBM，发热问题也非常难以控制，因此我们正在从这个层级开始逐步尝试使用混合键合技术。”他补充说，“HBM4E是否能真正实现混合键合的商用化，还要综合考量市场接受度和投资成本。”

此外，三星还在筹备未来需求有望增长的定制化HBM（Custom HBM）业务。目前，包括谷歌、英伟达、AMD等多家全球大型科技公司，正在寻求适用于其AI芯片的专属定制HBM产品。

金大祐透露：“我们已经收到大量关于定制HBM的咨询，目前正准备开发将运算功能集成至基底晶片（Base Die）等的三星特色定制HBM。”

而除了HBM之外，三星还在今年2月与国内的长江存储签署专利许可协议，拿到了长江存储混合键合技术的授权，用于三星的下一代 NAND 产品。

据ZDNet 报道，该授权协议涵盖 3D NAND 的混合键合专利，专门针对三星计划在 2025 年下半年量产的第 10 代 V10 NAND 产品。此次合作意义重大，因为长江存储是第一家将混合键合应用于 3D NAND 技术的公司，并且在该领域建立了强大的专利组合。

V10 NAND 预计堆叠层数约为 420 至 430 层，并将引入多项创新功能。其中最令人期待的进步之一是晶圆对晶圆 (W2W) 混合键合技术。这种方法键合的是整个晶圆而非单个芯片，有望提升性能、改善散热并提高生产率——随着 NAND 堆叠层数超过 400 层，这将成为关键优势。

此前，三星采用的是芯片级封装 (COP) 工艺，但随着 NAND 堆叠的日益复杂，外围电路的压力日益凸显。为了解决这个问题，三星选择在 V10 NAND 中采用混合键合工艺，以确保在多层级封装下实现更高的效率和可靠性。

三星决定与长江存储签订许可协议，被视为一项旨在降低未来风险并加速其技术开发的策略。目前尚不清楚三星是否也与Xperi或其他持有竞争性混合键合专利的海外公司进行了专利谈判。业内人士推测，三星参与下一代 NAND 开发（包括 V10、V11 和 V12）将不可避免地涉及与长江存储的专利组合合作，因此这些许可协议对于该公司的计划至关重要。

在三星看来，不论是DRAM和NAND，未来必然会用上混合键合这一技术。

不甘示弱的海力士

与三星相比，目前在HBM上较为领先的SK海力士对于混合键合也表现出了非常积极的态度。

去年6月，SK海力士曾透露，其计划于2026年开始量产16层HBM4内存，并使用混合键合技术堆叠更多DRAM层。

SK海力士先进HBM技术团队负责人金贵旭指出，他们目前正在研究用于HBM4的混合键合和MR-MUF技术，但良率尚不高。如果客户需要超过20层的产品，由于厚度限制，可能需要采用新的工艺，其乐观地表示，混合键合技术有望在厚度不超过775微米的情况下实现超过20层的堆叠。

而在今年4月，SK海力士副总裁兼封装开发部门负责人李康旭再次强调，公司计划从HBM4E代开始导入混合键合技术，该代产品将采用20层堆叠的DRAM芯片。

其表示，在此前的第六代HBM（即HBM4，最多16层堆叠）中，SK海力士采用的是MR-MUF技术，该技术通过微凸点连接DRAM层，并使用液态材料填充空隙。

但从20层堆叠开始，李康旭表示，混合键合将变得“不可或缺”。混合键合通过铜与铜的直接接触连接半导体层，取消了对微凸点的依赖，从而实现更薄的芯片设计，预计这种新型键合方式将在性能与能效方面带来更大优势。

除了HBM之外，海力士同样也在NAND上准备采用混合键合。据韩媒此前报道， SK海力士正在研发400层NAND闪存，目标是在2025年底实现量产。

报道援引知情人士的话称，SK海力士目前正在与供应链合作伙伴合作，开发400层及以上NAND所需的工艺技术和设备。由于该公司计划应用混合键合技术来实现这一突破，预计许多封装材料和零部件供应商将进入新的供应链。

报道指出，SK海力士正在研究用于键合的新材料以及用于连接不同晶圆的各种技术，包括抛光、蚀刻、沉积和布线。该公司的目标是在明年年底前完成技术和基础设施的准备，并预计在2026年上半年开始全面生产400层NAND。

沉默的美光

与海力士和三星相比，美光在混合键合上似乎并未发表太多意见，尽管早在2022年2月，美光就与Xperi签署了一项新的多年期协议，获得了其子公司 Adeia 的混合键合 IP 以增强下一代内存设备，但截至目前，美光仍未公布混合键合在HBM和NAND上的具体量产时间。

但值得一提的是，美光的HBM4量产速度对比另外两家显得更快一些，其在今年6月宣布，已开始向主要客户交付其下一代 HBM4 内存样品。这款面向下一代 AI 和 HPC 处理器的全新内存组件容量为 36 GB，带宽高达 2 TB/s。

美光 HBM4 的首批样品为 12 层堆叠产品，配备 36 GB 内存，并具有 2048 位宽接口以及约 7.85 GT/s 的数据传输速率。这些样品基于该公司 1β (1-beta) DRAM 工艺技术制造的 24GB DRAM 设备，以及台积电采用其 12FFC+（2nm 级）或 N5（5nm 级）逻辑工艺技术生产的逻辑基片。

美光当前一代 HBM3E 内存也提供高达 36 GB 的容量，但它采用 1024 位接口，数据传输速率高达 9.2 GT/s，从而提供高达 1.2 TB/s 的峰值带宽。即便如此，美光全新 HBM4 内存的带宽仍可提升 60% 以上，能效也提升高达 20%。此外，美光 HBM4 内存还内置内存测试功能，方便合作伙伴简化集成流程。

美光是业内首家与合作伙伴正式开始提供 HBM4 内存模块样品的 DRAM 制造商，但预计三星和 SK 海力士等其他制造商也将很快跟进。美光和其他内存制造商计划在 2026 年左右开始 HBM4 的量产，届时领先的 AI 处理器开发商也将开始量产其下一代处理器。

对于美光而言，可能其仍然聚焦于优化现有技术，有可能成为最晚采用混合键合技术的存储厂商之一。

争先恐后的设备厂商

事实上，最关心混合键合这一技术的反而不是上述这三家存储厂商，而是那些跃跃欲试的设备厂商。

就目前而言，半导体混合键合机设备领域的领先企业包括荷兰的 BE Semiconductor Industries NV（Besi）和美国的应用材料这两家公司。

其中，BESI 是全球封装设备领域的重要玩家，较早看到了混合键合在高端封装、HBM堆叠和3D NAND领域的潜力。自 2019 年起，BESI 就与Imec、台积电等机构合作开发混合键合设备，成为最早布局该技术的厂商之一。

据了解，BESI 的混合键合系统强调高精度对准、晶圆平整控制、键合界面质量，尤其适用于300mm晶圆对晶圆（wafer-to-wafer）堆叠。其核心技术包括亚微米对准（sub-micron alignment）和低温键合工艺控制。

目前，BESI 的设备已被多家头部封测厂导入验证，包括台积电、日月光以及多家HBM供应链客户。2023年，其设备已成功用于HBM4与HBM4E相关试产项目，并在高端图形、AI封装领域被评为“候选量产方案”。

本月24日，BESI 公布了2025年第二季度业绩，并预测由于混合键合等先进封装设备需求强劲，今年下半年业绩将有所改善。其表示：“随着客户在 2026-2027 年推行新产品的技术路线图，我们预计先进逻辑和 HBM4 应用的混合键合系统订单将同比和上半年大幅增长。”

而设备巨头应用材料在2020年前后便启动混合键合工艺平台的布局，视其为延续摩尔定律的关键技术路线之一。公司将其混合键合平台命名为 “Hybrid Bonding Integrated Solution”，将设备与晶圆制程数据平台高度耦合。

应用材料强调系统级整合，提出包括表面预处理、对准、键合、检测在内的整套解决方案。其在材料工程、等离子体处理和晶圆清洗方面的积累为混合键合工艺的良率提升提供了强支撑。

目前其平台已被用于多家晶圆代工厂（如台积电）与封装大厂（如ASE）用于3D IC、HBM堆叠和逻辑+存储集成。尤其在HBM与先进逻辑芯片共封装（CPO）应用中，应用材料的平台具备核心设备地位。该公司强调其混合键合解决方案与其他先进封装（如CoWoS、SoIC）平台高度兼容，在AI芯片CPO、Chiplet集成等未来架构中具备关键节点价值。

值得关注的是，在今年4月，应用材料收购了BESI 9% 的股份，此次交易使其超过贝莱德机构信托，成为了BESI的最大股东，未来美国的应用材料和荷兰的BESI在混合键合上可能会有更多合作。

总部位于新加坡，荷兰ASMI持股的ASMPT 作为封装设备市场的重要参与者，对混合键合的布局始于 2021年左右，旗下的混合键合设备聚焦于晶圆对晶圆（W2W）与晶圆对芯片（D2W）两类结构，强调亚微米对准精度、热-压协同工艺控制及设备稳定性。

ASMPT 在亚洲各地等地有广泛客户群，尤其在存储芯片封装、先进逻辑芯片封装（包括CIS和HBM）中占据重要份额，其混合键合设备已进入部分封测厂商的验证流程。

ASMPT此前宣布，已于去年获得了首批HBM混合键合机订单，预计于今年年中交付。而在本月23日的第二季度财报中，ASMPT表示：“我们的第二代混合键合机在精度、占地面积和每小时吞吐量方面均具有竞争力”，并且“我们计划在今年第三季度向HBM客户出货这款第二代设备。”

面对欧美厂商的来势汹汹，韩系的半导体设备厂得益于地缘优势，近两年在混合键合设备上表现的尤为积极。

首先是老牌韩系半导体设备厂韩美半导体，其在2022年正式宣布进军混合键合设备市场，目标是为韩系客户提供国产替代方案，其表示混合键合设备适用于HBM、3D DRAM堆叠等应用场景。

据了解，韩美强调其在精密对位与多轴控制方面的积累，能实现微米级甚至亚微米级对准精度。2023年，公司完成首台设备样机开发，并宣称可支持20层DRAM堆叠所需的对位精度。

目前，SK海力士已被确认是其主要合作客户。韩媒报道称，2024年韩美的设备进入K海力士验证线，并有望在HBM4E项目中作为辅助产能导入。韩美也正寻求打入三星封测链。

而近两年在热压键合设备上表现亮眼的新秀——韩华半导体，同样开始参与混合键合设备市场的竞争。其最早是军工与防务技术公司，在2023年宣布成立半导体设备事业部，重点攻入先进封装设备市场，而混合键合被其列为“优先突破”的战略领域之一。

据了解，韩华采取并购+自研方式推进，已收购部分关键工艺公司并引入外部技术专家团队，重点开发晶圆对晶圆（W2W）混合键合设备。公司强调其在真空环境控制、自动化机械臂方面具备军工转化优势。

目前，韩华的混合键合设备尚处于样机验证阶段，但韩媒称其已争取到部分三星系统LSI部门的技术验证项目支持。未来可能作为三星“内循环”封装设备体系中的一环。尽管起步较晚，但韩华财力雄厚、工程团队转型迅速。如果能跨过良率和精度门槛，未来可能成为韩国先进封装设备版图中的“黑马”角色。

此前提到的SEMES作为三星电子旗下的半导体设备制造子公司，过去主要服务于光刻、清洗、刻蚀等核心前段工艺，而近年来，三星在内部推动“设备自研替代”，由SEMES牵头攻关混合键合设备。

据了解，2023年起，SEMES 被曝已完成第一代混合键合试验设备，并在三星内部封测产线开展技术验证。其技术特点是高度结合三星的封装流程（如I-Cube、X-Cube），具备深度工艺耦合优势。

目前，SEMES主要服务三星集团内部封装需求，尚未对外公开销售计划。但业界认为，随着HBM4E导入，SEMES设备有望成为三星HBM产线上的核心设备之一。虽然其封闭性强，外部客户有限，但凭借三星集团的资金与技术整合力，SEMES具备快速量产推进能力，也可能成为未来三星在混合键合领域抗衡应用材料与BESI的秘密武器。

而在这些厂商之外，目前还有一些老牌设备厂有意抢攻混合键合这一前景广阔的市场。

据韩媒报道，LG电子正着手研发用于高带宽存储器（HBM）的混合键合机，正式进军半导体设备市场。鉴于HBM的高增长潜力，此举与LG集团会长对人工智能（AI）业务的关注高度契合，同时也与LG电子近期在企业对企业（B2B）业务上的扩张相契合。

据业内人士7月13日透露，LG电子生产工程研究院（PRI）已开始开发混合键合机设备，该设备对下一代HBM制造至关重要。据报道，该公司还设定了到2028年实现混合键合机量产的目标。LG电子的一位高管表示：“我们目前正在进行混合键合机的研发，这是事实。”

LG电子生产工程研究院已经拥有一些研究半导体封装技术的组织，预计将扩大这一领域，招募半导体封装领域的高水平人才，并在着手开发混合键合机时积极与学术界开展研究合作。

值得关注的是，LG此次开发混合键合设备，与另外一家韩国晶圆厂设备制造商 Justem 也有着相当密切的联系，这家公司已被韩国贸易、工业和能源部选中，领导一项价值 140 亿韩元的项目，其中政府直接拨款 75 亿韩元，用于开发用于超大规模集成半导体 HBM 的混合键合堆叠设备。

Justem 此前一直专注于除湿和气体控制设备，例如 Justem 气流矫直机。消息人士称，凭借这项最新的政府项目，该公司目前正计划拓展至先进封装领域。

该项目将从今年开始持续四年，直至2029年。除了Justem之外，LG电子生产工程研究所（PRI）、仁荷大学、Conception和庆北科技园也参与其中。Justem及其合作伙伴必须开发出满足政府规定的芯片间最小对准误差和堆叠厚度的设备。

作为该项目的牵头方，Justem 将负责开发设备的键合机制并监督其整体开发。LG PRI 将利用其运动控制技术，以高精度管理键合头的开发。Conception 将利用其 3D 打印技术开发设备的各个部件。仁荷大学和庆尚北道科技园区将负责键合质量等评估工作。消息人士称，LG PRI 参与该项目很可能是其进军混合键合设备市场传闻的原因。

最后是日系设备厂，据日刊工业新闻报道，日本佳能公司的子公司佳能机械正在加紧开发混合键合技术，力求超越传统的芯片键合设备。该公司计划在2026年后将其先进的封装解决方案推向市场，以满足领先半导体制造商日益增长的需求。

佳能机械公司总裁田岛淳一表示，目标是通过混合键合实现芯片间的直接连接，该技术有望提高未来半导体器件的性能和集成度。

据了解，佳能集团工业机械部门（包括佳能机械）整合了一系列半导体前端和后端工艺技术。该部门的产品组合包括佳能专有的光刻工具对准系统、子公司佳能安耐华（Canon Anelva）开发的等离子技术以及佳能机械成熟的芯片贴合解决方案。佳能计划将这些技术结合起来，实现高吞吐量和微米级对准精度，这在混合键合应用中至关重要。

可以看到，不论是三星和海力士这样的存储厂，抑或是BESI和韩华这样的设备厂，都已经将混合键合作为未来发展的核心之一。这一技术趋势的背后，反映的是整个半导体产业对于突破传统封装限制、实现更高性能集成的迫切需求。

展望未来，在摩尔定律放缓的背景下，混合键合作为先进封装的关键技术之一，必将在推动整个行业向更高集成度、更优性能迈进的过程中发挥不可替代的作用。

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4115期内容，欢迎关注。

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