先进封装(Advanced Packaging)不仅是半导体产业延续摩尔定律的关键路径，也是当前国内外半导体封装火热的话题，在现今各种论坛及大小半导体会议上都会被各路专家分析探索。

先进封装具体主要包括的种类有：倒装芯片(Flip Chip)封装、晶圆级封装（Wafer level package, 简称WLP）、2.5D /3D 封装、扇出型封装（Fan-out package, 简称FO）、嵌入式封装（Embeded package, 简称ED）、系统级封装（System in package, 简称SiP）等封装技术。如下图是研究机构Yole公司对2022-2029年之间先进封装市场的预测，其中占比高的是倒装芯片封装，其次是2.5D/3D封装。

针对2.5D/3D封装，采用微凸点（Micro bump)和硅通孔(Through silicon vias, TSV)技术实现不同芯片或者不同层芯片之间在垂直方向上的垂直堆叠互连，主要的垂直堆叠方式有：芯片-芯片(C2C)、芯片-晶圆(C2W)和晶圆-晶圆(W2W)。其中C2C和C2W都是通过热压键合（Thermo compression bonding，TCB）工艺技术实现堆叠。

TCB这种芯片键合技术也是一种倒装芯片封装技术，但是它与传统的倒装技术在互连方式上有着较大区别，是一种较为先进的工艺技术。根据BESI公司接近10年前的公开报告等资料可以看出：在互连密度和芯片键合精度(1-5um)等指标上，TCB工艺要求都要高于传统的FC工艺，TCB工艺解决了FC工艺由于其需要采用回流焊造成的工艺难题，如芯片翘曲、基板翘曲、芯片倾斜等。

TCB工艺不需要进行回流焊接工序，热压键合过程中通过施加压力和温度在原位数秒内即可实现键合。在键合过程中，温度和压力都需要进行实时监控和调整，同时温度、压力和键合头位置需要随键合进程进行复杂工艺调整。这种工艺方法也区别于显示面板屏幕的热压绑定工艺，显示面板屏幕热压绑定不需要对温度参数进行实时的工艺调整。当前TCB热压键合工艺过程中填充时间以及方式的不同，这种工艺主要有如下4种方式：

TCB工艺复杂，根据公开的科技文献等相关资料研究，这种键合设备国外有关公司已经于10年前开始了相关研究和量产。总结来看，这种键合设备难点可以包括如下：

(1)键合工艺复杂。芯片热压键合工艺方法发展至今较为成熟的有TC-NCF和TC-MUF, 这2个键合工艺都对填充材料以及工艺参数有着较高的要求。此外根据键合基板的不同，设备也有针对C2W(chip to wafer)和C2S(chip to substrate)的区分。在键合工艺技术路线尚未完全统一以及功能较多的情况下，给研发相应的设备造成了一些挑战。

(2)键合精度要求高。对这种键合设备精度的要求一般是在±1.5-2μm。在热压键合工艺过程中，键合头快速升温和冷却，使得保持键合精度稳定是该设备关键的工艺难题。

(3)键合头及其基台共面性要求高。由于共面性通常要达到1μm/10 mm, 使得键合头及其基台的设计、加工及装配和运控都有很高要求。

(4)温度管理复杂。热压键合工艺中键合头和基台的温度参数设定不同，一般键合头高达到400 ℃，基台设定为200 ℃，在键合工艺过程中，要求有快速升降温的能力，升降温速率达到100 ℃/s以上，并且要求温度均匀性在±5 ℃以内，这些对温度管理的要求是影响键合时间和质量的关键参数，进而影响设备生产效能和性能。

尽管TCB工艺复杂，根据资料研究发现，部分国外TCB键合设备公司已经于10年前开始了相关研发探索。因而，国外已经有多家公司量产出货到全球前沿的公司，有公司在资料中表明已经全球累计出货500台以上。

从全球来看，这种键合设备目前主要是销售往海力士、三星和美光等半导体头部公司。此外，还有国内部分追赶先进封装工艺制程的公司，也已经在这类设备中提前做了生产设备布局。

由于HBM内存市场需求全球暴增、国产替代进程加速等积极因素，国内设备厂商闻风而动也纷纷进入到TCB设备研发探索阵营。根据不同场合公开的资料来看，有如下厂商已经进入到国产TCB设备研发领域：

从目前公开的信息看，国内主要是几家华东的半导体设备公司在这个领域发力，华南仅有两家公司在展会等媒介公开已经布局TCB设备领域。然而，仅仅通过公司zhuanli、科技文献、宣传海报以及官网等资料研究，以及部分通过与业内人士沟通来看，国产TCB设备似乎距离替代进口设备还相当遥远。

尽管如此，随着人工智能芯片市场需求激增，存储HBM封装技术产品成为全球各大封测公司争相扩产的方向，TCB热压键合技术及其设备已经成为关键，进而相应的键合设备公司是挖矿卖铲人。

当前HBM技术及热压键合工艺及设备依然被国外公司垄断，有可能成为卡脖子问题。随着HBM国产化，国内必将会迎来热压键合技术研究和设备开发的历史机遇和行业热点，将会有更多科研机构、半导体设备公司涌入这个赛道。

转载自：南北芯闻