HBM行業(yè)深度報告（一）：工藝篇設(shè)備新機遇-國海證券

2024年12月30日HBM行業(yè)深度報告（一）：工藝篇，設(shè)備新機遇評級：推薦(首次覆蓋)姚健(證券分析師)S0350522030001yaoj@杜先康(證券分析師)S0350523080003duxk01@《珂瑪科技(301611)深度報告：先進結(jié)構(gòu)陶瓷國內(nèi)領(lǐng)跑者，半導(dǎo)體模塊產(chǎn)品加速放量（買入）*半導(dǎo)體*姚健，杜先康》——2024-11-21《芯源微(688037)深度報告：涂膠顯影國產(chǎn)替代先鋒，清洗+先進封裝設(shè)備打開成長空間（買入）*半導(dǎo)體*姚健，杜先康》——2024-08-21《半導(dǎo)體前道量檢測設(shè)備行業(yè)報告（二先進制程關(guān)鍵設(shè)備，電子束檢測正崛起（推薦）*專用設(shè)備*姚健，杜先康》——2024-06-25《半導(dǎo)體前道量檢測設(shè)備行業(yè)報告（一重點產(chǎn)品持續(xù)突破，國產(chǎn)替代正在加速（推薦）*專用設(shè)備*姚健，杜先康》——2024-01-18《半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)動態(tài)研究：半導(dǎo)體零部件國產(chǎn)化加速，關(guān)注細分賽道領(lǐng)跑者（推薦）*專用設(shè)備*杜先康，姚健》——2023-12-24表現(xiàn)半導(dǎo)體滬深3006.5%1.9%47.3%7.5%34.2%19.3%相關(guān)報告最近一年走勢42% 27% -3%-18%-33%相關(guān)報告最近一年走勢42% 27% -3%-18%-33%滬深300l重點關(guān)注公司及盈利預(yù)測2023EPS2024E2025E2023PE2024E2025E請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明3核心提要u投資邏輯HBM市場前景廣闊，地緣催化下國內(nèi)有望加速擴產(chǎn)。HBM具備高帶寬、低延遲、低功耗等優(yōu)勢，受益AI應(yīng)用快速發(fā)展，2024年全球HBM市場規(guī)模預(yù)計將達169.14億美元，同比增長約288.29%。目前全球HBM市場被SK海力士、三星、美光三家企業(yè)壟斷，2023年市占率分別為47.5%、47.5%和5%，三大供應(yīng)商均積極擴產(chǎn)，2023年底SK海力士、三星、美光HBM總產(chǎn)能（含TSV）為4.5、4.5、0.3萬片/月，2024年底預(yù)計增至12-12.5、13、2萬片/月。國內(nèi)HBM產(chǎn)業(yè)處于早期階段，國內(nèi)供應(yīng)商現(xiàn)處于HBM2的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化階段，2024年12月2日美國BIS宣布新規(guī)，將HBM納入嚴格管控，國內(nèi)HBM有望加速擴產(chǎn)。HBM工藝流程復(fù)雜，TSV、堆疊是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。HBM制造工藝較為復(fù)雜，我們從TSV、Bump、減薄、堆疊/填充、測試等五大環(huán)節(jié)進行分析1）TSV是HBM核心工序，成本占比最高，隨著TSV數(shù)量增加，單一TSV良率面臨更高要求2）Bump工藝持續(xù)微型化，電鍍工藝適用于小節(jié)距凸點3）TBDB能夠提高產(chǎn)品良率和性能，氣泡排除、翹曲度控制是技術(shù)要點，CMP應(yīng)用廣泛、涉及多類耗材4）TCB目前廣泛應(yīng)用于HBM產(chǎn)品，混合鍵合實現(xiàn)無凸點互連、工藝條件較高，MR-MUF技術(shù)具備效率、良率和散熱優(yōu)勢5）HBM測試包括晶圓測試和KGSD測試，存在諸多挑戰(zhàn)。u投資建議：地緣催化下國內(nèi)HBM產(chǎn)能建設(shè)有望加速，設(shè)備商有望迎來國產(chǎn)替代機遇。建議關(guān)注北方華創(chuàng)（刻蝕/沉積/爐管等設(shè)備）、中微公司（刻蝕設(shè)備）、拓荊科技（混合鍵合/鍵合套準精度量測/PECVD等設(shè)備）、微導(dǎo)納米（薄膜沉積設(shè)備）、華海清科（CMP/減薄機）、芯源微（臨時鍵合機/解鍵合機/清洗機）、盛美上海（電鍍/清洗/邊緣刻蝕設(shè)備）、精測電子（檢測設(shè)備）、中科飛測（檢測設(shè)備）、賽騰股份（檢測設(shè)備）、精智達（檢測設(shè)備）、快克智能（鍵合設(shè)備）、芯碁微裝（直寫光刻機/晶圓對準機/晶圓鍵合設(shè)備）等。首次覆蓋，給予HBM行業(yè)“推薦”評級。u風險提示：行業(yè)擴產(chǎn)不及預(yù)期；技術(shù)升級風險；歐美技術(shù)對中國封鎖加劇；半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)替代不及預(yù)期；重點關(guān)注公司業(yè)績不及預(yù)期；研究報告使用的公開資料可能存在信息滯后或更新不及時的風險。請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明4請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明51、HBM市場前景廣闊，國內(nèi)有望加速擴產(chǎn)請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明6HBM適用于高性能計算uHBM具備高帶寬、低延遲、低功耗等優(yōu)勢。高帶寬存儲器（HBM）是一種采用三維堆疊和硅通孔（TSV）等技術(shù)的高性能DRAM，其核心優(yōu)勢在于，增加了存儲堆棧的數(shù)量和位寬，縮短了存儲芯片和邏輯芯片之間的距離，降低了工作電壓并減少了信號線的數(shù)量和長度，資料來源：《高帶寬存儲器的技術(shù)演進和測試挑戰(zhàn)》陳煜海等資料來源：《高帶寬存儲器的技術(shù)演進和測試挑戰(zhàn)》陳煜海等，全球半導(dǎo)體觀察，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明7HBM適用于高性能計算uHBM適用于高性能計算領(lǐng)域。在各類DRAM產(chǎn)品中，DDR主要用于消費電子、服務(wù)器、PC等領(lǐng)域，LPDDR主要用于移動設(shè)備、手機及汽車領(lǐng)域，GDDR主要用于圖像處理GPU，HBM主要用于數(shù)據(jù)中心、AI計算加速卡、高端專業(yè)顯卡等高性能計算領(lǐng)域，具備顯著優(yōu)勢。高速高帶寬：HBM2E和HBM3的單引腳最大I/O速度低于GDDR5存儲器，但HBM的堆棧方式可通過更多I/O數(shù)量提供遠高于GDDR5存儲器的總帶寬。可擴展更大容量：HBM通過多層堆疊DRAM芯片，可實現(xiàn)更大的存儲容量，此外通過SiP集成多個HBM疊層DRAM更低功耗：HBM采用TSV和微凸塊技術(shù)，DRAM裸片與處理器間實現(xiàn)較短的信號傳輸路徑、較低的單引腳I/O速度和I/O電壓，進而具備更好的內(nèi)存功耗能效特性。更小體積：HBM將原本在PCB板上的DDR內(nèi)存顆粒和CPU芯片全部集成到SiP中，因此具備空間節(jié)約優(yōu)勢，根據(jù)《高帶寬存儲器的技術(shù)演進和測試挑戰(zhàn)》（陳煜海等，2023相比GDDR5存儲器，HBM2節(jié)約94%的芯片面積。資料來源：《高帶寬存儲器的技術(shù)演進和測試挑戰(zhàn)》陳煜海等，資料來源：《高帶寬存儲器的技術(shù)演進和測試挑戰(zhàn)》陳煜海等，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明8AI驅(qū)動下HBM需求快速增長u受益AI發(fā)展HBM前景廣闊。根據(jù)《AIandMemoryWall》（AmirGholami等，2024），過去20年服務(wù)器硬件FLOPS（每秒浮點運算次數(shù)，評估CPU和GPU算力的標準之一）峰值以每2年3倍的速度增長，遠超過DRAM和互連帶寬的增速，內(nèi)存問題成為AI應(yīng)用的重要瓶頸。根據(jù)外媒拆解，英偉達H100成本接近3000美元，其中占比最高的是SK海力士的HBM，其成本約2000美元，直接超過制造和封裝，隨著資料來源：《資料來源：《AIandMemoryWall》AmirGholami等，SK海力士，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明9AI驅(qū)動下HBM需求快速增長u全球HBM市場規(guī)?？焖僭鲩L。根據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)，2023年全球HBM市場規(guī)模約43.56億美元，2024年預(yù)計將達169.14億美元，同比增長約288.29%；HBM單價相比傳統(tǒng)DRAM高出數(shù)倍，相比DDR5價差約5倍，疊加AI芯片迭代促使HBM單機搭載容量擴大，預(yù)計2023-2025年HBM占DRAM總產(chǎn)能及總產(chǎn)值的比例均會大幅增長；產(chǎn)能方面，2023/2024E年HBM占DRAM總產(chǎn)能2%/5%，2025年占比預(yù)計將超過10%資料來源：資料來源：TrendForce集邦咨詢，Yole，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明10海外三巨頭壟斷HBM市場uHBM市場高度集中。目前全球HBM市場被SK海力士、三星、美光三家企業(yè)壟斷，根據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)，2023年市占率分別為47.5%、47.5%和5%，2024年SK海力士市占率預(yù)計增至52.5%。產(chǎn)能方面，HBM三大供應(yīng)商均在積極擴產(chǎn)，根據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)，2023年底SK海力士、三星、美光HBM總產(chǎn)能（含TSV）為4.5、4.5、0.3萬片/月，2024年底預(yù)計增至12-12.5、13、2萬片/月，但產(chǎn)能會根據(jù)驗證進度、客戶訂單持續(xù)調(diào)整。資料來源：資料來源：TrendForce集邦咨詢，SK海力士，三星，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明11海外三巨頭壟斷HBM市場u三大巨頭HBM產(chǎn)品持續(xù)迭代。2024年HBM3是市場主流產(chǎn)品，根據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)（2024/3/18SK海力士市占率超過90%，2024Q1三星HBM3產(chǎn)品陸續(xù)通過AMDMI300系列驗證，后續(xù)將會逐步放量。HBM3E方面，根據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)（2024/6/18SK海力士已成功量產(chǎn)用于AI的超高性能HBM3E，實現(xiàn)全球首次向客戶供應(yīng)現(xiàn)有DRAM最高性能的HBM3E，三星已開始向客戶提供HBM3E12H樣品，預(yù)計2024H2開始大規(guī)模量產(chǎn)，美光已經(jīng)開始量產(chǎn)HBM3E。資料來源：資料來源：TrendForce集邦咨詢，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明12國內(nèi)HBM擴產(chǎn)有望加速u地緣催化下國內(nèi)HBM有望加速擴產(chǎn)。國內(nèi)HBM產(chǎn)業(yè)處于早期階段，國內(nèi)存儲廠商目前仍處于HBM2的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化階段。2024年12月2日，美國BIS宣布一系列新規(guī)，將HBM納入嚴格管控，通過性能指標重新定義“先進芯片”，限制HBM出口，新規(guī)設(shè)定的紅線閾值（存儲單元面積小于0.0019μm2、存儲密度大于0.288Gb/mm2）相當于HBM2，意味著國內(nèi)廠商很難買到可用的HBM，國內(nèi)HBM有望加速擴產(chǎn)。長鑫：2024年6月，長鑫科技的母公司睿力集成通過上海子公司與當?shù)卣炇鸷霞s以獲得土地，計劃投資至少171億元建造一座先進封裝廠，預(yù)計2026年中投產(chǎn)，該新廠將專注于各種先進封裝技術(shù)，制造應(yīng)用于AI的高頻寬存儲器，封裝產(chǎn)能預(yù)計將達3萬片/月。武漢新芯：2024年3月，武漢新芯發(fā)布《高帶寬存儲芯粒先進封裝技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)線建設(shè)》招標項目，打造國產(chǎn)高帶寬存儲器，擬新增設(shè)備16臺套，擬實現(xiàn)月產(chǎn)出能力>3000片(12英寸)。請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明132、HBM工藝流程復(fù)雜，TSV、堆疊是關(guān)鍵環(huán)節(jié)請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明14HBM工藝復(fù)雜，設(shè)備多元uHBM工藝流程包括DRAM、邏輯芯片加工及互連。HBM技術(shù)涉及頂層DRAM、中間層DRAM、底層邏輯芯片的加工，通過將DRAM堆疊焊接至邏輯芯片上方的方式完成HBM封裝。頂層DRAM不涉及TSV，其厚度可增加，從而控制封裝體的整體翹曲、最終成品厚度。中間層DRAM和邏輯芯片的工藝流程基本一致，區(qū)別在于，不會在完成TSV和布線加工后對邏輯芯片進行解鍵合，而是在堆疊封裝完成后，再進行解鍵合、單顆劃切等流程。資料來源：《基于硅通孔互連的芯粒集成技術(shù)研究進展》張愛兵資料來源：《基于硅通孔互連的芯粒集成技術(shù)研究進展》張愛兵等請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明15HBM工藝復(fù)雜，設(shè)備多元uTSV是HBM核心工序，成本占比30%。根據(jù)《CostBreakdownof2.5Dand3DPackaging》SavanSys，對于4層DRAM+1層邏輯芯片的HBM，在99.5%鍵合良率下，TSV、前段工藝、后段工藝、組裝、晶圓凸點、測試等環(huán)節(jié)的成本占比分別為30%、20%、20%、15%、3%、1%。其中，1）TSV制造、TSV顯露成本占比分別為18%、12%；2）前段工藝是指晶圓正面RDL；3）后段工藝包括晶圓背面所有工序；4）組裝包括所有鍵合；資料來源：《資料來源：《CostBreakdownof2.5Dand3DPackaging》SavanSys，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明16HBM工藝復(fù)雜，設(shè)備多元uHBM相關(guān)工藝種類較多，分類方式多元，我們參考SK海力士公告，從TSV、Bump、減薄、堆疊/填充、測試等五大環(huán)節(jié)展開，介紹HBM主要工藝，其中，減薄環(huán)節(jié)主要介紹臨時鍵合及解鍵合、CMP工藝，堆疊/填充環(huán)節(jié)主要介紹TCB、混合鍵合、MR-MUF工藝。資料來源資料來源：SK海力士請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明17(1)TSV：核心工序，良率要求高uTSV可提高帶寬、降低功耗。TSV是一種垂直互連技術(shù)，相比引線鍵合，能夠大幅縮短互連間距，減少信號傳輸延遲和損失，提高信號速度和帶寬，降低功耗和封裝體積。TSV工藝分為先通孔（Via-First）、中間通孔（Via-Middle）、后通孔（Via-Last）三種類型，其中，先通孔工藝目前主要指TSV轉(zhuǎn)接板的制造，中間通孔工藝是目前IC廠主要采用的方案，后通孔工藝指目前產(chǎn)業(yè)化最為成熟的方案之一。資料來源：《先進封裝技術(shù)的發(fā)展與機遇》曹立強等，《硅通孔三維互連與集成技術(shù)》資料來源：《先進封裝技術(shù)的發(fā)展與機遇》曹立強等，《硅通孔三維互連與集成技術(shù)》馬書英等，《HeterogeneousIntegrations》JohnH.Lau請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明18(1)TSV：核心工序，良率要求高uTSV工藝涉及多種設(shè)備。根據(jù)《TSV關(guān)鍵工藝設(shè)備特點及國產(chǎn)化展望》，TSV工藝涉及二十多種設(shè)備，其中深孔刻蝕設(shè)備、氣相沉積設(shè)備、銅填充設(shè)備、減薄拋光設(shè)備等較為關(guān)鍵。深孔刻蝕設(shè)備：深孔刻蝕是TSV的關(guān)鍵工藝，目前首選技術(shù)是基于Bosh工藝的干法刻蝕。氣相沉積設(shè)備：主要用于薄膜電路表面的高低頻低應(yīng)力氧化硅等薄膜沉積；絕緣層做好后，通過PVD沉積金屬擴散阻擋層和種子層，種子層的連續(xù)性和均勻性被認為是TSV銅填充最重要的影響因素。銅填充設(shè)備：TSV填孔鍍銅是最核心、最難的工序，對設(shè)備要求較高。減薄拋光設(shè)備：TSV要求晶圓減薄指50μm甚至更薄，目前可通過機械研磨、CMP、濕法及干法化學處理等方式實現(xiàn)，鑒于磨削對晶圓的損傷及內(nèi)在應(yīng)力、后續(xù)傳輸?shù)葐栴}，目前業(yè)界多采用一體機的思路，將晶圓磨削、拋光、貼片等工序集合在一臺設(shè)備內(nèi)。資料來源：《芯片先進封裝制造》姚玉等，資料來源：《芯片先進封裝制造》姚玉等，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明19(1)TSV：核心工序，良率要求高uTSV工藝良率及成本面臨較大挑戰(zhàn)。隨著TSV工藝趨向小孔徑、高密度、大深寬比，制造過程容易產(chǎn)生內(nèi)部溫度、應(yīng)力失配等問題，進而產(chǎn)生底部空洞、內(nèi)部縫隙、填充缺失等典型缺陷，將會影響TSV工藝良率及成本。隨著TSV數(shù)量增加，單一TSV良率面臨更高要求，根據(jù)《先進倒裝芯片封裝技術(shù)》，3D資料來源：《資料來源：《TSV三維封裝內(nèi)部典型缺陷的特征識別方法研究》姜傳愷，SK海力士請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明20(2)Bump：持續(xù)微型化u凸點工藝主要用于電氣連接、機械支撐和散熱。凸點（Bumping）工藝用于建立芯片和基板之間的電氣連接、機械支撐，同時起到散熱通道作用，通常分為焊料凸點、金凸點、銅凸點、銅柱凸點和其他新型凸點等類型，可在晶圓或基板上制備。焊料凸點（C4制備方法包括蒸鍍（較早）、電鍍（常用）、印刷（常用/低成本）等，過去常用PbSn合金，由于環(huán)保要求，目前逐步使用SnAgCu等無鉛材料；金凸點和銅凸點：制備方法主要是電鍍和釘頭凸點；銅柱凸點（C2采用銅柱+Sn帽，可減少焊料熔化時的形變，提高連接密度，降低凸點間距，制備方法與焊料凸點類似。資料來源：《資料來源：《HeterogeneousIntegrations》JohnH.Lau，《微電子封裝技術(shù)》周玉剛等，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明21(2)Bump：持續(xù)微型化u凸點工藝持續(xù)微型化，電鍍工藝適用于小節(jié)距凸點。隨著IC集成度的提高、IO/數(shù)量的增加，凸點尺寸、間距和高度都在下降，尺寸和成本是Bumping工藝選擇的重要影響因素。HBM主要采用microbumping工藝制備微凸點，采用電鍍法制備微凸點。根據(jù)《先進倒裝芯片封裝技術(shù)》，對于極細節(jié)距凸點，電鍍是成本效益最好的工藝，良率最高資料來源：《先進倒裝芯片封裝技術(shù)》唐和明等，《晶圓微凸點技術(shù)在先進封裝資料來源：《先進倒裝芯片封裝技術(shù)》唐和明等，《晶圓微凸點技術(shù)在先進封裝中的應(yīng)用研究進展》劉冰等，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明22(3)減?。篢BDB提高良率及性能uTBDB能夠提高產(chǎn)品良率和性能。超薄晶圓的機械強度低，翹曲度高，為了解決其支撐和傳輸中的高碎片率問題，同時提高產(chǎn)品良率和性能，通常采用臨時鍵合和解鍵合工藝（TBDB）。臨時鍵合：常用方式包括干膜、膠水兩大類，主要步驟包括鍵合介質(zhì)涂覆、前烘固化、晶圓與鍵合載片對準、真空熱壓等。解鍵合：常用方式包括UV照射（針對UV干膜）、機械剝離（針對熱熔膠）、熱滑移剝離（針對熱熔膠）和激光剝離（針對激光膠主要步驟包括翹曲矯正、熱解滑移（或其他方式剝離）、晶圓清洗等步驟。資料來源：《四寸砷化鎵晶圓臨時鍵合解鍵合工藝技術(shù)》艾佳瑞等請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明資料來源：《四寸砷化鎵晶圓臨時鍵合解鍵合工藝技術(shù)》艾佳瑞等請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明23(3)減薄：TBDB提高良率及性能u氣泡排除、翹曲度控制是鍵合技術(shù)要點。不同TBDB技術(shù)各有優(yōu)缺點，適用于不同應(yīng)用場景。臨時鍵合技術(shù)要點包括：1）排除鍵合層的中心和邊緣產(chǎn)生氣泡，也是工藝難點，氣泡引起的鍵合層厚度不均勻或鏤空現(xiàn)象，直接導(dǎo)致減薄時該區(qū)域因局部失去支撐而碎裂，或因邊緣鍵合層密封不足，使減薄廢料滲入，導(dǎo)致晶圓表面沾污無法去除。2）控制鍵合片的翹曲度，翹曲度過大會嚴重影響減薄中的全局平坦化工藝效果，也會導(dǎo)致解鍵合過程因受力不均產(chǎn)生更大的碎裂風險。資料來源：《臨時鍵合技術(shù)在晶圓級封裝領(lǐng)域的研究進展》王方成等，資料來源：《臨時鍵合技術(shù)在晶圓級封裝領(lǐng)域的研究進展》王方成等，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明24(3)減?。篊MP涉及多種耗材uCMP工藝涉及多種變量及耗材。化學機械研磨（CMP）工藝結(jié)合化學反應(yīng)和機械研磨去除沉積的薄膜，是一種表面全局平坦化技術(shù)，可用于晶圓拋光（幾μm的硅被去除）、平坦化（材料去除量約1μm或更少）等工序。CMP工藝對于集成金屬和介質(zhì)層、雙大馬士革工藝互連十分重要，根據(jù)Preston公式，如何保證晶圓面上的加壓、晶圓與研磨墊之間研磨速度的均勻性是關(guān)鍵。此外，CMP工藝涉及多類耗材，如研磨液注：M是加工量，p是加工壓力，v是相對速度，t資料來源：《圖解入門半導(dǎo)體制造設(shè)備基礎(chǔ)與構(gòu)造精資料來源：《圖解入門半導(dǎo)體制造設(shè)備基礎(chǔ)與構(gòu)造精講》佐藤淳一，《銅互連CMP工藝技術(shù)分析》宋紅偉等，《圖解入門半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)精講（原書第4版）》佐藤淳一，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明25(4)堆疊/填充：TCB應(yīng)用廣泛uTCB目前廣泛應(yīng)用于HBM產(chǎn)品。根據(jù)《微電子封裝技術(shù)》，依賴回流焊的倒裝鍵合方式在40-50μm節(jié)距仍可工作，但更小節(jié)距將會面臨可靠性問題，復(fù)雜多芯片鍵合的良率可能較低。熱壓鍵合（TCB）可提高精度，可支持10μm甚至更小節(jié)距的鍵合，12堆棧HBM依然使用TCB。倒裝鍵合：速度快、成本低，隨著芯片和基板膨脹及冷卻，熱膨脹系數(shù)的差異會導(dǎo)致翹曲。TCB：相同I/O間距下電氣性能更好，封裝厚度更薄，減少基板翹曲，資料來源：資料來源：Yole，《高端性能封裝技術(shù)的某些特點與挑戰(zhàn)》馬力等，艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)公眾號，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明26(4)堆疊/填充：TCB應(yīng)用廣泛u貼放精度、加熱/降溫速度是TCB設(shè)備的關(guān)鍵指標。TCB主要用于創(chuàng)建原子級金屬鍵合，利用力和熱促進原子在晶格間遷移，從而形成清潔、高導(dǎo)電性和堅固的鍵合。對于TCB設(shè)備，關(guān)鍵指標是貼放精度、快速加熱/降溫能力。TCB主要步驟包括，1）在基板上噴涂助焊劑；2）貼片頭（BondHead）撿起晶片迅速加熱到臨界錫球融化溫度；3）相機對位后，貼片頭把晶片精準貼放到基板的凸點陣列區(qū)；4）在基板與晶片凸點接觸的瞬間，貼片頭從壓力敏感控制轉(zhuǎn)為位置敏感控制，并迅速加熱到錫球融化溫度以上保持數(shù)秒資料來源資料來源：艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)公眾號，旺材芯片公眾號請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明27(4)堆疊/填充：混合鍵合實現(xiàn)無凸點互連u混合鍵合是無凸點高密度互聯(lián)技術(shù)?；旌湘I合是指在一個鍵合步驟同時鍵合電介質(zhì)和金屬鍵合焊盤，屬于無凸點永久鍵合的高密度互連技術(shù)，相比傳統(tǒng)C4焊點和微凸點技術(shù)，主要優(yōu)點包括，1）芯片間無凸點互連，降低寄生電感和信號延遲；2）芯片間超細間距互連，大幅增加通道數(shù)量；3）超薄芯片制備，大幅降低芯片厚度和重量；4）鍵合可靠性提高，大幅提升截面鍵合強度?；旌湘I合可按鍵合材料分為Cu/SiO2和Cu/粘結(jié)劑鍵合，可按鍵合方式分為晶圓到晶圓（W2W）和芯片到晶圓資料來源：資料來源：《先進封裝技術(shù)的發(fā)展與機遇》曹立強等，AMAT，Besi請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明28(4)堆疊/填充：混合鍵合實現(xiàn)無凸點互連uCu/SiO2、Cu/粘結(jié)劑混合鍵合原理相似。節(jié)距小于10μm的情況下，Cu-Cu鍵合后的片間間隙很小，難以填充下填料，混合鍵合可分別實現(xiàn)Cu和Cu之間的鍵合、Cu周圍介質(zhì)和介質(zhì)之間的鍵合，鍵合后的介質(zhì)可起到下填料的作用，減緩熱應(yīng)力的同時保證更高的鍵合強度、散熱能力和防止Cu凸點被腐蝕。Cu/SiO2混合鍵合：關(guān)鍵是得到平整度高、粗糙度小、親水性的表面，鍵合前需激活SiO2表面，實現(xiàn)方式包括表面激活、直接鍵合、表面活化鍵合等。Cu/粘結(jié)劑混合鍵合：與Cu/SiO2混合鍵合類似，只是使用粘結(jié)劑如BCB、PBO、PI等替代SiO2介質(zhì)，粘結(jié)劑柔性更好，可在一定程度上容忍介質(zhì)表面的微塵顆粒物。資料來源：資料來源：《Chiplet晶圓混合鍵合技術(shù)研等請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明29(4)堆疊/填充：混合鍵合實現(xiàn)無凸點互連uW2W/D2W分別對于小尺寸/大尺寸芯片具有成本優(yōu)勢。W2W將兩個加工好的晶圓直接鍵合，流程相對簡潔，目前是主要的混合鍵合方式。D2W先篩選出KGD，再單獨鍵合至基礎(chǔ)晶圓上，或者先重構(gòu)到載體晶圓，然后再整體鍵合到基礎(chǔ)晶圓。W2W：優(yōu)點包括，1）對準精度高，可實現(xiàn)非常小的互連間距；2）批量工藝，產(chǎn)量較大。不足包括，1）頂部和底部晶圓的尺寸需要相同，工藝靈活性有限；2）無法通過晶圓篩選甄別KGD，通常適用于高良率晶圓，一般對應(yīng)小尺寸芯片，隨著芯片尺寸增加，W2W的成本曲線變得較為陡峭。D2W：優(yōu)點包括，1）頂部和底部芯片的尺寸較為靈活；2）對于大尺寸芯片具有成本優(yōu)勢。不足包括，1）鍵合步驟較多，將會引入更多顆粒污染，對準誤差概率增加請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明30資料來源：semianalysis，《Die-to-Waferbondingofthindiesusinga2-Stepapproach；HighAccuracyPBonding》請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明30(4)堆疊/填充：混合鍵合工藝條件較高u混合鍵合工藝條件較高，現(xiàn)處于起步階段。雖然一些芯片制造商采用了混合鍵合，但目前工藝成本太高，無法大規(guī)模使用。混合鍵合對設(shè)備精度、工藝環(huán)境及表面質(zhì)量等方面提出較高要求。1）需要精準對齊并鍵合SiO2絕緣層與Cu接觸點。2）工藝環(huán)境需要class1cleanroom。3）待鍵合表面的粗糙度4）Cu-Cu鍵合和介質(zhì)-介質(zhì)鍵合二者常會相互干擾，需要兼顧兩方面的鍵合要求。資料來源：資料來源：《CopperHybridBondInterconnectionsforChip-OnWaferApplications》IEEE請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明31(4)堆疊/填充：MR-MUF具備效率、良率、散熱優(yōu)勢uMUF技術(shù)大幅提升效率。底部填充的主要作用包括分散應(yīng)力、增加芯片連接的剛度和強度、改善焊點的熱疲勞可靠性等作用，主要工藝包括毛細流動型底部填充（CUF）、非流動型底部填充（NUF）、模塑底部填充（MUF主要填充方式包括壓力驅(qū)動式、非流動式和毛細驅(qū)動式。CUF：目前主流工藝，由于多出流動填充、加熱固化等步驟，生產(chǎn)效率不高，毛細流動通常較慢且不夠充分，容易出現(xiàn)孔洞，隨著芯片尺寸增加、焊點尺寸減小，上述問題更加明顯。NUF：工藝步驟減少，生產(chǎn)效率高，但填料少、熱膨脹系數(shù)較高，固化物常有氣泡和空洞等問題。MUF：底部填充和芯片塑封通過一個步驟實現(xiàn)，大幅提高生產(chǎn)效率，提高封裝的機械強度；MUF技術(shù)實現(xiàn)條件包括尺寸更細小的填充粒子、優(yōu)化樹脂配方、在封裝基板上設(shè)置排氣孔等。非流動型底部填充（NUF）毛細流動型底部填充（非流動型底部填充（NUF）資料來源：資料來源：《面向窄節(jié)距倒裝互連的預(yù)成型底部填充技術(shù)》王瑾等，《倒裝芯片封裝中底部填充技術(shù)的分析與優(yōu)化》王瑾等請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明32(4)堆疊/填充：MR-MUF具備效率、良率、散熱優(yōu)勢uMR-MUF技術(shù)具備效率、良率和散熱優(yōu)勢。當前HBM實現(xiàn)多層DRAM互連的主要解決方案是熱壓非導(dǎo)電膜（TC-NCF）和批量回流模制底部填充（MR-MUF），MR-MUF是SK海力士2019年推出的新型封裝技術(shù)，能夠有效改善芯片散熱性能，同時具備速度和良率優(yōu)勢。TC-NCF：先用非導(dǎo)電薄膜填充DRAMdie微凸點側(cè)的微凸點空隙，再用熱壓鍵合工藝連接兩層die，三星和美光主要采用該方案。MR-MUF：結(jié)合回流和模制工藝，將芯片連接到電路上資料來源資料來源：SK海力士請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明33(4)堆疊/填充：MR-MUF具備效率、良率、散熱優(yōu)勢u先進MR-MUF技術(shù)進一步提升散熱性能。SK海力士對MR-MUF技術(shù)進行升級，開發(fā)了先進的MR-MUF技術(shù)，引入業(yè)界首創(chuàng)的芯片控制技術(shù)和改善散熱效果的新型保護材料。根據(jù)SK海力士官網(wǎng)，由于應(yīng)用了MR-MUF技術(shù)，HBM2E的散熱性能相比HBM2提高了36%，在應(yīng)用先進的MR-MUF技術(shù)后，HBM3E的散熱性能相比8層HBM3提高了10%。），資料來源資料來源：SK海力士請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明34(5)測試：HBM測試存在諸多挑戰(zhàn)u常規(guī)DRAM芯片測試包括晶圓級測試、封裝級測試，HBM測試則包括晶圓級測試、KGSD測試。晶圓級測試：除了DRAM測試，增加了邏輯芯片測試。KGSD測試：主要采用ATE測試機臺、晶圓探針臺和專門制作的測試探針卡，通過DA端口進行基礎(chǔ)邏輯芯片測試、DRAM核心芯片測試，HBMKGSD的動態(tài)老化應(yīng)力測試、大量內(nèi)部TSV結(jié)構(gòu)的可靠性測試、高速信號測試、數(shù)量超過1000的PHYI/O測試等是芯片測試和質(zhì)量保證的難點。資料來源資料來源：SK海力士，《高帶寬存儲器的技術(shù)演進和測試挑戰(zhàn)》陳煜海等，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明35(5)測試：HBM測試存在諸多挑戰(zhàn)uTSV缺陷檢測較為復(fù)雜。以TSV工序為例，TSV刻蝕及填充質(zhì)量對三維集成整體性能影響顯著，微小尺寸、層疊結(jié)構(gòu)及晶圓減薄等特征使得TSV缺陷檢測較為復(fù)雜。TSV缺陷檢測方法通常包括電學檢測方法、光學檢測方法、聲學檢測方法和X射線檢測方法，不同方法各有優(yōu)劣。電學檢測：能夠同時實現(xiàn)三維集成功能完整性和性能優(yōu)劣性的測試，但探針尺度大、數(shù)量少，且探針與晶圓之間接觸應(yīng)力大，易損傷甚至直接損毀晶圓。光學檢測：紅外光線具有硅穿透性，可用于TSV形貌測量，但不能用于金屬內(nèi)部缺陷檢測，實際應(yīng)用受限。聲學檢測：傳統(tǒng)超聲波測量方法分辨率不足，高頻聲波能量衰減速率快、傳播距離短，實際應(yīng)用受限。X射線檢測：能夠提供很高的分辨率，對各種材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷適用性強，但分辨率和樣品尺度之間存在矛盾，資料來源：《資料來源：《TSV三維集成的缺陷檢測技術(shù)》陳鵬飛等，thermofisher，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明364、關(guān)注設(shè)備國產(chǎn)替代機遇請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明37投資觀點u國內(nèi)HBM有望加速擴產(chǎn)，關(guān)注設(shè)備國產(chǎn)替代機遇。受益AI發(fā)展HBM前景廣闊，目前全球HBM市場被海外巨頭壟斷，國內(nèi)HBM產(chǎn)業(yè)處于早期階段。一方面，地緣催化下國內(nèi)HBM產(chǎn)能建設(shè)有望加速，前道設(shè)備、后道設(shè)備有望迎來國產(chǎn)替代機遇。另一方面，HBM制造工藝復(fù)雜度較高，隨著HBM持續(xù)迭代，TSV、Bump、減薄、堆疊/填充、測試等五大環(huán)節(jié)需要持續(xù)優(yōu)化，持續(xù)關(guān)注國內(nèi)設(shè)備商產(chǎn)品研發(fā)及驗證進展。資料來源：資料來源：iFinD，各公司公告及官網(wǎng)，華海清科公眾號，國海證券研究所請務(wù)必閱讀報告附注中的風險提示和免責聲明38風險提示u1、行業(yè)擴產(chǎn)不及預(yù)期。目前全球HBM技術(shù)及產(chǎn)能被SK海力士、三星、美光壟斷，國內(nèi)HBM產(chǎn)品研制水平存在一定差距，地緣限制背景下，國內(nèi)HBM擴產(chǎn)存在不及預(yù)期風險。u2、技術(shù)升級風險。AI等終端市場持續(xù)發(fā)展，對HBM產(chǎn)品不斷提出新要求，疊加海外HBM供應(yīng)商持續(xù)發(fā)力新技術(shù)，已形成代際優(yōu)勢，國內(nèi)HBM產(chǎn)品研制及產(chǎn)能擴張存在技術(shù)升級風險。u3、歐美技術(shù)對中國封鎖加劇。近年歐美對中國技術(shù)限制事件頻發(fā)，HBM屬于新興技術(shù)，且產(chǎn)品持續(xù)迭代，目前國內(nèi)處于起步階段，HBM制造的工藝、設(shè)備、材料及終端產(chǎn)品設(shè)計等方面自主化能力有限，如果歐美加大對華技術(shù)封鎖力度，國內(nèi)HBM產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在不確定性。u4、半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)替代不及預(yù)期。目前半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化率較低，疊加HBM屬于新型技術(shù)，國內(nèi)相關(guān)設(shè)備商處于起步階段，同時缺乏客戶使用機會，HBM前道設(shè)備、后道設(shè)備國產(chǎn)替代速度存在不及預(yù)期風險。u5、行業(yè)競爭加劇風險。HBM前道及后道設(shè)備處于國產(chǎn)替代初期，國內(nèi)僅少數(shù)設(shè)備商具備部分工藝環(huán)節(jié)設(shè)備的研制能力，潛在競爭者或?qū)⑼ㄟ^自研、收購等方