混合键合：半导体未来的关键技术突破

在半导体领域，键合方式一直是业界关注的焦点。随着封装技术的不断演进，尤其是3D NAND和高带宽存储器（HBM）向更高堆叠层数与更紧密互连发展，对键合技术的精度、密度与良率提出了更高要求。在此背景下，“混合键合”（Hybrid Bonding）正逐步从实验室走向大规模量产，成为半导体制造的新支柱。

传统热压键合或微凸点互连虽已满足过去十年的工艺需求，但在纳米间距、信号完整性、功耗控制及互连密度上逐渐遇瓶。HBM领域尤其如此，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，这正是混合键合的用武之地。

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结构的尺寸限制与寄生效应，使信号传输路径更短、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”或“CMOS-under-array”结构，为更高堆叠层数的稳定制造开辟新路径。

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，预示着混合键合不仅是工艺革新，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。

三星的激进之路

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12层堆叠HBM前使用热压键合，但确认混合键合对制造16层堆叠HBM是必要的。

三星更看重混合键合在降低高度方面的能力，这对16叠层HBM至关重要。通过缩小芯片间距，三星能在775微米内安装17个芯片。据报道，三星计划在2025年生产HBM4样品，并于2026年量产。今年4月，三星使用子公司Semes的混合键合设备生产了16层堆叠HBM样品，表示运行正常。

今年7月，三星宣布将从HBM4E开始应用混合键合技术。该技术正处于样品测试阶段，商业前景和投资成本被视为量产关键。

三星电子常务金大祐在“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。根据路线图，三星计划从HBM4E开始导入混合键合技术，为此正提供基于混合键合的16层HBM样品进行评估。

金大祐表示：“16层堆叠的HBM发热难以控制，因此正逐步尝试使用混合键合技术。”他还提到，“HBM4E的商用化需考量市场接受度和投资成本。”

此外，三星还筹备定制化HBM业务。谷歌、英伟达、AMD等寻求专属定制HBM产品。金大祐透露：“已收到大量定制HBM咨询，正开发将运算功能集成至基底晶片的特色定制HBM。”

今年2月，三星与长江存储签署专利许可协议，获得混合键合技术授权用于下一代NAND产品。该授权涵盖3D NAND的混合键合专利，针对计划于2025年下半年量产的第10代V10 NAND产品。

海力士的积极态度

SK海力士对混合键合也表现出积极态度。去年6月透露计划于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海力士团队负责人金贵旭表示正在研究用于HBM4的混合键合和MR-MUF技术，但良率尚不高。若需超过20层产品，可能需采用新工艺。他乐观地认为混合键合技术有望在厚度不超过775微米情况下实现超过20层的堆叠。

今年4月，SK海力士副总裁李康旭强调计划从HBM4E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。他表示从20层堆叠开始，混合键合变得“不可或缺”。

除了HBM，海力士也在NAND上准备采用混合键合。据韩媒报道，SK海力士正在研发400层NAND闪存，目标于2025年底量产。

美光的稳健步伐

美光在混合键合上似乎未发表太多意见。尽管2022年2月与Xperi签署协议获得其子公司Adeia的混合键合IP以增强下一代内存设备，但至今未公布具体量产时间。

值得注意的是，美光HBM4量产速度较快。今年6月宣布向主要客户交付下一代HBM4内存样品。这款面向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。

美光当前一代HBM3E内存提供高达36 GB的容量和高达1.2 TB/s的峰值带宽。尽管如此，美光全新HBM4内存的带宽仍可提升60%以上，能效提升高达20%。

设备厂商的激烈竞争

最关心混合键合技术的反而是设备厂商。目前领先企业包括荷兰BE Semiconductor Industries NV（Besi）和美国应用材料。

BESI自2019年起与Imec、台积电等机构合作开发混合键合设备。其设备强调高精度对准、晶圆平整控制及键合界面质量。

BESI的设备已被多家头部封测厂验证并用于HBM4与HBM4E相关试产项目。该公司预测下半年业绩将改善。

应用材料于2020年前后启动布局并强调系统级整合。其平台包括表面预处理、对准、键合及检测等解决方案。

应用材料的平台被用于多家晶圆代工厂与封装大厂。今年4月收购BESI 9%股份成为最大股东。

韩系半导体设备厂也表现积极。韩美半导体于2022年宣布进军市场并强调精密对位与多轴控制积累。

韩华半导体采取并购+自研方式推进并强调真空环境控制及自动化机械臂优势。

SEMES作为三星电子旗下子公司完成第一代混合键合试验设备并在内部验证产线开展技术验证。

写在最后

不论是存储厂还是设备厂都将混合键合视为未来发展的核心之一。这一技术趋势反映了整个半导体产业突破传统封装限制、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。