电子 8 月周报（8.26—8.30）：混合键合封装技术大有可为

证券研究报告 行业研究|行业周报|电子（2127） 混合键合封装技术大有可为 请务必阅读报告末页的重要声明 2024年09月01日 证券研究报告 |报告要点 从引线键合到倒装的转变，代表了从传统封装向先进封装的迭代。在采用倒装形式的半导体产品中，大部分芯片采用凸点作为互连材料，凸点互连的极限方向是无凸点互连，也即混合键合。混合键合由于没有凸点和焊料，可以实现极细微的间距，从而极大地增强连接密度。根据SK海力士展示的技术路线图，在未来的HBM4这一代产品中，为了实现更多层数的堆叠（达到12Hi/16Hi），SK海力士或将引入混合键合，降低存储芯片堆叠中间的空隙高度。 |分析师及联系人 熊军 王晔 SAC：S0590522040001SAC：S0590521070004 请务必阅读报告末页的重要声明1/11 行业研究|行业周报 2024年09月01日 电子8月周报（8.26—8.30） 混合键合封装技术大有可为 投资建议： 强于大市（维持） 上次建议：强于大市 相对大盘走势 电子 20% 沪深300 3% -13% -30% 2023/82023/122024/42024/8 相关报告 1、《电子：当前如何看待LCD价格？》 2024.08.18 2、《电子：电子行业2024Q2基金重仓分析：电子行业成为基金第一大重仓板块》2024.07.28 扫码查看更多 键合方式是决定芯片封装性能的关键工艺 键合方式决定了一个芯片产品对内对外的连接。从引线键合到倒装的转变，代表了从传统封装向先进封装的迭代。在采用倒装形式的半导体产品中，大部分芯片采用凸点作为互连材料，凸点按照材料分类主要包括以铜柱凸点、金凸点、镍凸点、铟凸点等为代表的单质金属凸点，和以锡基焊料为代表的焊料凸点及聚合物凸点等。凸点互连的极限方向是无凸点互连，也即混合键合。 混合键合可以实现极细微的间距，成长空间广阔 混合键合由于没有凸点和焊料，可以实现极细微的间距，从而极大地增强连接密度，根据semianalysis的统计，混合键合可以实现0.5-0.1μm的间距，连接密度可以做到10K-1MM/mm²，显著高于之前的各代键合技术。根据Yole的统计，D2W （DietoWafer）混合键合设备市场规模或将从2020年的600万美元增加至2027 年的2.32亿美元，期间CAGR高达69%，显著高于键合设备整体市场增速 HBM4或将引入混合键合封装技术 根据SK海力士展示的技术路线图，在未来的HBM4这一代产品中，为了实现更多层数的堆叠（达到12Hi/16Hi），SK海力士或将引入混合键合，降低存储芯片堆叠缝隙的高度。而另一大存储巨头三星电子先进封装团队高管DaeWooKim表示三星电子成功制造了基于混合键合技术的16层堆叠HBM3内存，该内存样品工作正常，未来16层堆叠混合键合技术将用于HBM4内存量产。 投资建议 大模型不断迭代升级，AI应用快速发展，建议关注算力产业链。同时，算力需求带动HBM需求同步增长，建议关注HBM产业链。相关标的：雅克科技、华海诚科等。AIPC、AI手机的推出叠加换机周期的到来，有望促进消费电子终端销量重回增长轨道，建议关注AI硬件产业链。相关标的：维信诺等。半导体经济周期有望于2024年迎来反弹，建议关注国产IC制造产业链。相关标的：中芯国际、长电科技、芯源微等。 风险提示：混合键合技术研发不及预期的风险、混合键合技术成本难以降低的风险 正文目录 1.混合键合或将成为堆叠封装的关键技术4 1.1高端先进封装有望逐步引入混合键合技术4 1.2HBM4或将引入混合键合技术提升堆叠层数7 2.投资建议9 2.1建议关注算力产业链9 2.2建议关注消费电子复苏及AI终端落地9 2.3建议关注半导体复苏周期9 3.风险提示10 图表目录 图表1：半导体混合键合示意图4 图表2：半导体封装键合方式演进历程5 图表3：主流的混合键合方法及其适用的材料组合5 图表4：主流的混合键合方案6 图表5：混合键合主要工艺步骤6 图表6：D2W混合键合设备市场规模（百万美元）7 图表7：W2W永久键合设备市场规模（百万美元）7 图表8：海力士MR-MUF封装技术8 图表9：海力士HBM技术路线图9 1.混合键合或将成为堆叠封装的关键技术 1.1高端先进封装有望逐步引入混合键合技术 键合方式是决定芯片性能的关键工艺。键合方式决定了一个芯片产品对内对外的连接。从引线键合到倒装的转变，代表了从传统封装向先进封装的迭代。在采用倒装形式的半导体产品中，大部分芯片采用凸点作为互连材料，凸点按照材料分类主要包括以铜柱凸点（CuPillar）、金凸点（AuBump）、镍凸点（NiBump）、铟凸点（InBump）等为代表的单质金属凸点，和以锡基焊料为代表的焊料凸点（SolderBump）及聚合物凸点等。 凸点互连的极限方向是无凸点互连（BumplessInterconnection），也即混合键合 （Hybridbonding）。混合键合指的是将两个或多个芯片的金属层（材质通常为铜）精密对准并直接压合，形成直接的电学接触。上下两个芯片均没有凸点，也不需要使用焊料，而只有铜焊盘作为对外互连的接口。 图表1：半导体混合键合示意图 资料来源：semianalysis，国联证券研究所 混合键合可以实现极细微的间距。和引线键合以及凸点互连等键合方式相比，混合键合由于没有凸点和焊料，可以实现极细微的间距，从而极大地增强连接密度，根据semianalysis的统计，混合键合可以实现0.5-0.1μm的间距，连接密度可以做到10K-1MM/mm²，显著高于之前的各代键合技术。 图表2：半导体封装键合方式演进历程 资料来源：semianalysis，国联证券研究所 主流的键合方式包括直接键合互联、等离子体活化键合、热压键合等多种方式，其中混合键合材料主要包括金/氧化硅、铝/氧化硅、铜/氧化硅及其他材料的相互组合。美国Ziptronix（现Xperi）公司开发的直接键合互连（DirectBondInterconnect，DBI）技术是目前较为成熟的混合键合技术。对于采用聚合物胶作为介质材料的混合键合，热压键合是主要方法。 图表3：主流的混合键合方法及其适用的材料组合 键合方法 混合键合材料 直接键合互联 金/氧化硅铝/氧化硅铜/氧化硅 等离子体活化键合 铝/氧化硅金/氧化硅 CMP处理后直接键合 铜/氧化硅 水蒸气辅助表面活化键合 铜/氧化硅、Cu/SiO2/PI、铜/氧化硅/氮化硅 热压键合 铜/氧化硅/聚合物铜/聚合物金/聚合物 铜-锡微凸点/聚合物 资料来源：《硅通孔三维封装技术》（于大全），国联证券研究所 主流的混合键合方案包括铜/氧化硅、铜/聚合物胶，以及由微凸点键合技术和非流动 性底部填充（No-FlowUnderfill）技术改进而来的微凸点/聚合物胶混合键合。以铜 /氧化硅混合键合技术为例，工艺流程主要包括化学机械抛光、表面活化、对准和氧化硅-氧化硅键合（室温下）、铜铜键合（加热退火）。 图表4：主流的混合键合方案 步骤 铜/氧化硅 铜/聚合物胶 微凸点/聚合物胶 1 化学机械抛光 化学机械抛光或表面削切 聚合物胶（光敏）图形化（光 敏聚合物胶）或表面削切 2 表面活化 铜表面活化（可选） 微凸点表面活化（可选） 3 对准和氧化硅-氧化 硅键合（室温下） 对准和聚合物胶键合与固化（热压） 对准和微凸点键合（回流或热 压） 4 铜铜键合（加热退火） 铜铜键合（热压键合） 聚合物胶固化 资料来源：《硅通孔三维封装技术》（于大全），国联证券研究所 图表5：混合键合主要工艺步骤 资料来源：brewerscience，国联证券研究所 混合键合设备有望进入增长快车道。根据Yole的统计，D2W（DietoWafer）混合键合设备市场规模或将从2020年的600万美元增加至2027年的2.32亿美元，期间CAGR高达69%，显著高于键合设备整体市场增速；而包含部分混合键合设备在内的W2W（WafertoWafer）永久键合设备市场规模有望从2020年的2.61亿美元增至2027年的5.07亿美元，期间CAGR约为16%，同样高于市场整体增速。 图表6：D2W混合键合设备市场规模（百万美元）图表7：W2W永久键合设备市场规模（百万美元） 资料来源：Yole，国联证券研究所资料来源：Yole，国联证券研究所 1.2HBM4或将引入混合键合技术提升堆叠层数 HBM3/HBM3E仍然使用凸点互连的键合方式。HBM全称HighBandwidthMemory，意为高带宽内存，通过3D堆叠封装的方式集成多片DRAM芯片。相比于DDR4、GDDR5可以实现更少的功耗、更小的面积、更高的带宽和容量，常用于搭配CPU、GPU或其他类型的高性能计算类芯片。以海力士HBM产品为例，目前量产的主流世代产品HBM3/HBM3E仍然采用MR-MUF封装技术，即塑封底填+回流焊的形式，通过凸点键合的方式连接堆叠的各层存储芯片。 图表8：海力士MR-MUF封装技术 资料来源：semianalysis，国联证券研究所 下一代产品HBM4或将引入混合键合技术。根据SK海力士展示的技术路线图，在未来的HBM4这一代产品中，为了实现更多层数的堆叠（达到12Hi/16Hi），SK海力士或将引入混合键合，降低存储芯片堆叠缝隙的高度。而另一大存储巨头三星电子先进封装团队高管DaeWooKim表示三星电子成功制造了基于混合键合技术的16层堆叠HBM3内存，该内存样品工作正常，未来16层堆叠混合键合技术将用于HBM4内存量产。 图表9：海力士HBM技术路线图 资料来源：semianalysis，国联证券研究所 2.投资建议 2.1建议关注算力产业链 全球AI大模型不断迭代升级，AI应用快速发展，国内以Kimi为代表的国产大模型用户体验非常流畅，建议关注算力产业链。同时，算力需求带动HBM需求同步增长，建议关注HBM产业链。相关标的：雅克科技、华海诚科等。 2.2建议关注消费电子复苏及AI终端落地 自2023年Q3以来，消费电子逐步进入复苏周期，同时多家消费电子终端品牌厂商陆续推出新的AI硬件产品，包括AIPC、AI手机、AIPin等多种类型。因此我们认为AIPC、AI手机等终端产品的推出，叠加换机周期的到来，有望促进消费电子终端销量重回增长轨道，建议关注AI硬件产业链。相关标的：维信诺等。 2.3建议关注半导体复苏周期 下游库存经历较为充分的去化，同时AI相关领域带来新的需求增量，半导体经济周期有望于2024年迎来反弹，建议关注国产IC制造产业链。相关标的：中芯国际、长电科技、芯源微等。自2023年Q3以来，消费电子逐步进入复苏周期，同时多家消费电子终端品牌厂商陆续推出新的AI硬件产品，包括AIPC、AI手机、AIPin等多种类型。因此我们认为AIPC、AI手机等终端产品的推出，叠加换机周期的到来，有望 促进消费电子终端销量重回增长轨道，建议关注AI硬件产业链。相关标的：维信诺等。 3.风险提示 混合键合技术研发不及预期的风险。混合键合技术可以有效降低芯片堆叠间隙的高度，但因为是直接键合，所以对于芯片表面的平整度和清洁度均有着极高的要求，这就意味着需要进行非常精细化的研磨抛光和清洗，技术难度较高，如果相关技术环节研发进度不及预期，或将对混合键合技术的产业化带来不利影响。 混合键合技术成本难以降低的风险。混合键合技术需要非常精细化的研磨抛光和清洗，对键合设备的要求也极高，同时在产业化前期或将面临良率较低的情况。因此混合键合技术产业化前期的成本或将较为高昂，如果迟迟无法降低成本，或将给混合键合技术的应用和推广带来不利影响。 分析师声明 本报告署名分析师在此声明：我们具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，本报告所表述的所有观点均准确地反映了我们对标的证券和发行人的个人看法。我们所得报酬的任何部分不曾与，不