芯片封裝的隱形戰場
在半導體制造領域，當芯片完成前道工藝加工后，需要通過鍵合（Bonding）技術實現芯片與基板或芯片之間的互連。
這項技術如同芯片世界的“焊接術”，直接決定了芯片的可靠性、性能和尺寸。隨著摩爾定律逼近物理極限，傳統封裝技術面臨嚴峻挑戰。
當芯片制程進入5納米以下，通過縮小晶體管尺寸提升性能的路徑變得愈發艱難。而人工智能、5G通信和自動駕駛等新興技術對芯片性能提出了更高要求。在這樣的大背景下，先進鍵合技術成為延續摩爾定律的關鍵路徑之一。
“在后摩爾時代半導體制造面臨物理極限挑戰的背景下，通過先進封裝技術延續摩爾定律成為產業突破的關鍵平臺。”2025年電子封裝技術國際會議(ICEPT 2025)的前瞻報告如此描述鍵合技術的重要性。
鍵合技術的演進之路
半導體鍵合工藝主要分為三大技術路線：
熱壓鍵合（TC Bonding）作為成熟工藝的代表，通過加熱和壓力使兩種材料之間產生物理連接。在高壓高溫環境下，材料分子鏈活化形成結合，實現電氣和熱連接。其核心優勢在于優異的熱導性和高密度連接特性，適用于高性能計算、5G通信等場景。但面對AI芯片超高密度互連需求時，熱壓鍵合逐漸顯露出力不從心的一面。
混合鍵合（Hybrid Bonding）作為技術演進的新星，結合了電介質-電介質鍵合與金屬-金屬鍵合，通過直接銅對銅連接實現晶圓或芯片間的垂直堆疊，無需傳統焊料或凸塊。這一技術將互連間距縮至1微米級別，密度達傳統技術的10倍以上。2025年，三星、SK海力士等存儲巨頭紛紛宣布在HBM4中導入混合鍵合技術，標志著該技術從實驗室走向大規模量產。
其他鍵合技術包括熔融鍵合（Fusion Bonding）、親水鍵合（Hydrophilic Bonding）、共晶鍵合（Eutectic Bonding）以及膠粘鍵合（Adhesive Bonding），各自在不同應用場景中發揮作用。
混合鍵合：芯片互連的革命
混合鍵合技術的核心魅力在于其獨特的工作原理。它通過原子級平整的接觸面，實現金屬與金屬、氧化物與氧化物的同步鍵合，消除了傳統bump結構帶來的尺寸限制與寄生效應。
臺積電的SoIC（System-on-Integrated-Chips）技術展示了混合鍵合的應用價值。作為業界第一個高密度3D小芯片堆疊技術，SoIC-X采用混合鍵合方案，專門面向高性能計算（HPC，High Performance Computing）和AI領域需求。
混合鍵合的制作流程極其精密：
1. 晶圓準備（Wafer Preparation）
2. 氧化物沉積（Oxide Deposition）
3. 金屬層沉積（Metal Deposition）
4. 對±50納米以內）與鍵合（Alignment and Bonding）
5. 退火處理（Annealing）
6. 檢測與測試（Inspection and Testing）
每一步都對工藝精度和環境要求極高，任何微小的偏差都可能影響最終的鍵合質量和芯片性能。
混合鍵合帶來的性能提升令人矚目：
在邏輯芯片中，混合鍵合使互聯密度提升15倍，信號速度提升11.9倍，帶寬密度提升191倍，每比特能耗降低20倍
在高帶寬存儲（HBM，High Bandwidth Memory）領域，混合鍵合使熱阻降低20%，動態功耗降低17%，信號完整性提高20%
鍵合層厚度從微凸塊的幾十微米降至幾個微米，為堆疊層數增加提供可能，同時增強了散熱性能
三星電子常務金大祐坦言：“即使是16層堆疊的HBM，發熱問題也非常難以控制，因此我們正在從這個層級開始逐步嘗試使用混合鍵合技術。”
應用場景：從HBM到AI芯片
在存儲芯片領域，混合鍵合技術正成為突破傳統TSV技術瓶頸的關鍵解決方案。隨著HBM向更高堆疊層數發展，混合鍵合通過無凸點直接連接方式，成功解決了傳統TSV+凸塊鍵合面臨的散熱效率低、堆疊高度受限等問題。SK海力士已證實該技術可在不超過775微米的厚度下實現20層以上堆疊。在3D NAND領域，長江存儲的Xtacking技術率先實現混合鍵合量產，通過分離制造外圍電路與存儲單元再整合的方式，將NAND的I/O速度提升至3.0Gbps，其技術實力已獲得國際認可，三星于2025年2月獲得其專利授權用于下一代產品。
混合鍵合技術正在重塑AI芯片與高性能計算領域的芯片架構。該技術支持晶圓級（W2W）和裸片級（D2W）兩種集成方式，能夠將邏輯芯片、內存芯片和AI加速器等異構組件以10納米以下的超精細間距互連，實現較傳統封裝10倍以上的數據傳輸帶寬提升。英特爾和AMD已將該技術應用于3D V-Cache堆疊處理器，而英偉達也計劃在其下一代AI GPU中采用混合鍵合的HBM5內存，以滿足AI計算對高帶寬內存的迫切需求。
在圖像傳感器領域，混合鍵合技術通過硅通孔（TSV）與銅直接連接的方式，有效減少了光路損失并顯著縮小了模組體積，現已成為高端智能手機攝像頭的標配技術。索尼通過混合鍵合技術成功實現了CMOS圖像傳感器中像素單元與信號處理單元的分離，不僅提升了成像質量，還優化了傳感器性能。這一創新應用展示了混合鍵合在提升光學器件性能方面的獨特優勢。
混合鍵合技術正從最初的存儲芯片領域快速向更多應用場景擴散。隨著5G通信、自動駕駛和物聯網等新興技術的發展，對高性能、低功耗芯片的需求將持續增長，這將為混合鍵合技術開辟更廣闊的應用空間。特別是在需要高密度集成的場景中，如邊緣計算設備和可穿戴設備，混合鍵合技術有望成為實現芯片微型化和性能提升的關鍵技術路徑。
技術挑戰與全球競速
1. 工藝復雜性與精度控制挑戰
混合鍵合面臨的首要技術難題在于亞微米級（<1μm）精度控制，需要實現數十億個連接點的精準對準與鍵合。這一工藝對潔凈室環境（需ISO 3級）、材料均勻性和良率控制提出了近乎苛刻的要求。即使是10nm級別的顆粒污染物或有機物殘留，都可能導致鍵合界面缺陷，顯著降低鍵合強度。此外，晶圓對晶圓（W2W）和芯片對晶圓（D2W）工藝各有難點：W2W要求極高的全局對準精度，而D2W則需要解決逐片處理耗時（數小時）和親水性保持等新挑戰。
2. 成本與量產化障礙
混合鍵合技術面臨著巨大的成本壓力。單臺晶圓級鍵合設備投資超過2000萬美元，且初期良率通常僅有60-70%。目前全球僅臺積電、應用材料等少數企業具備成熟量產能力，中小廠商難以承擔高昂的技術導入成本。此外，鍵合失敗會導致雙晶圓報廢，進一步推高了生產成本，這成為技術普及的重要障礙。
3. 全球競爭格局呈現梯隊分化
國際半導體巨頭已形成明顯的技術梯隊：
領先廠商：臺積電SoIC技術已實現1μm以下間距量產，主導高端市場；英特爾Foveros和三星HBM混合鍵合技術也已進入量產階段
設備供應商：ASML、應用材料和奧地利EVG等公司壟斷關鍵設備市場，其中EVG的磁控等離子體鍵合設備精度已達±0.5μm
中國力量崛起：拓荊科技推出量產級W2W設備"Dione 300"，青禾晶元發布全球首臺C2W&W2W雙模式設備，邁為股份實現±100nm精度
4. 市場前景與技術創新
盡管面臨挑戰，混合鍵合設備市場前景廣闊。據Besi預測，到2030年市場需求將達28億歐元，設備需求量超過1400臺。技術創新正在持續突破瓶頸：
哈爾濱工業大學開發的低溫混合鍵合技術（<200°C）解決了熱敏感芯片的鍵合難題
中科院微電子所的原子級表界面調控方案將良率提升至99.9%
新型檢測技術和自組裝材料的研發正在攻克納米級缺陷檢測難題
5. 地緣政治影響下的發展態勢
美國對華技術限制加速了全球混合鍵合技術生態的區域化。中國廠商正通過自主創新和產業鏈協同尋求突破，華為哈勃投資設備廠商，長電科技等封測企業加速研發。未來可能形成中美歐三足鼎立的技術格局，而混合鍵合技術將繼續向更小間距、更高堆疊層數的方向發展，成為后摩爾時代半導體制造的核心技術之一。
混合鍵合發展前景
1. 市場擴張：從高端芯片向消費電子滲透
混合鍵合技術正從AI、HPC等高端領域向智能手機、汽車電子等消費級市場延伸。隨著HBM5、Chiplet架構的普及，以及自動駕駛芯片對高帶寬、低功耗的需求增長，預計2025-2030年市場規模年復合增長率（CAGR）將超過30%。臺積電、英特爾等巨頭已將其納入量產路線，而消費電子廠商（如蘋果、高通）也在評估該技術的成本效益，未來可能推動更大規模應用。
2. 工藝創新：低溫鍵合成關鍵突破
傳統混合鍵合需高溫退火（>300°C），易導致芯片翹曲和可靠性問題。哈爾濱工業大學王晨曦團隊開發的低溫混合鍵合技術（<200°C）顯著降低熱應力，尤其適用于HBM存儲堆疊等熱敏感場景。中科院微電子所金仁喜博士的原子級表界面調控方案（Ra<1nm）進一步將鍵合良率提升至99.9%，解決了界面空洞和機械強度不足的行業痛點，為量產鋪平道路。
3. 技術驅動：HBM與AI芯片需求爆發
HBM5和下一代AI芯片（如NVIDIA Blackwell架構）需要更高密度的垂直互連，混合鍵合成為實現3D堆疊的關鍵技術。隨著互連間距向亞微米（<1μm）邁進，芯片堆疊層數突破20層，傳統TSV和微凸點技術已接近物理極限，混合鍵合將成為后摩爾時代性能提升的核心手段。
4. 地緣政治影響：供應鏈區域化加速
美國對華HBM相關技術限制可能延緩混合鍵合在中國的擴散速度，但也推動本土產業鏈自主創新。長電科技、通富微電等企業正加速研發，華為哈勃投資設備廠商，以降低對ASML、EVG等國際供應商的依賴。未來可能形成中美歐三足鼎立的混合鍵合技術生態。
5. 未來展望：重塑半導體制造格局
混合鍵合不僅是工藝革新，更是存儲與邏輯芯片集成方式的革命。隨著3D IC設計成為主流，該技術將深度綁定Chiplet架構，成為半導體性能提升的新引擎。盡管納米級缺陷檢測、設備成本等挑戰仍存，但技術進步（如自組裝材料、新型檢測手段）正持續突破瓶頸。到2030年，混合鍵合有望成為先進封裝的標準方案，徹底改變芯片制造的疆界。
