「香港飛龍」標誌 本文内容： 如果您希望可以時常見面，歡迎標星收藏哦~2024年，HBM成爲半導體產業最炙手可熱的產品之一。隨着AI大模型和高性能計算的狂飆突進，英偉達等巨頭對HBM的需求水漲船高，內存廠的HBM訂單早已售賣一空，尤其是SK海力士，其在HBM市場佔有率高達70%，更是賺得盆滿鉢滿。然而，就在這股浪潮背後，名爲“TCB（Thermal Compression Bonding）鍵合機”的設備，正在悄然決定HBM產業鏈的上限，不論是SK海力士，還是美光三星，都在過去一年時間裏加大了設備方面的投入，也讓更多設備廠商有機會喫上這波AI紅利。什麼是TCB？先來了解一下目前HBM芯片的鍵合技術。在傳統的倒裝芯片鍵閤中，芯片被“翻轉”，以便其焊料凸塊（也稱爲 C4 凸塊）與半導體基板上的接合焊盤對齊。整個組件被放置在迴流爐中，並根據焊料材料均勻加熱至 200oC-250oC 左右。焊料凸塊熔化，在接合和基板之間形成電氣互連。隨着互連密度的增加和間距縮小到 50μm 以下，倒裝芯片工藝面臨一些挑戰。由於整個芯片封裝都放入烤箱中，芯片和基板會因熱量而以不同的速率膨脹（即不同的熱膨脹係數，CTE），從而產生變形，導致互連出現故障。然後，熔融焊料會擴散到其指定區域之外。這種現象稱爲焊料橋接，會導致相鄰焊盤之間出現不必要的電連接，並可能造成短路，從而導致芯片出現缺陷。這就是TCB（熱壓鍵合）工藝發揮作用的地方，因爲它可以解決間距縮小到某個點以下時倒裝芯片工藝出現的問題。TCB的優勢在於，熱量是通過加熱工具頭局部施加到互連點上，而不是在迴流焊爐（倒裝芯片）中均勻施加。這樣可以減少向基板的熱量傳遞，從而降低熱應力和 CTE 挑戰，實現更強大的互連。對芯片施加壓力以提高粘合質量並實現更好的互連。典型的工藝溫度範圍在 150oC-300oC 之間，壓力水平在 10-200MPa 之間。除此之外，TCB 允許的接觸密度比倒裝芯片更高，在某些情況下每平方毫米可達到 10,000 個接觸點，但更高精度的主要缺點是吞吐量較低。雖然倒裝芯片機每小時可以達到超過 10,000 個芯片的吞吐量，但 TCB 的吞吐量則在 1,000-3,000 個芯片的範圍內。目前，三星和美光在HBM製造的後端工藝環節均採用了“TC-NCF（非導電膠膜）”技術。這一工藝是在各層DRAM之間嵌入NCF，並通過TCB工藝從上至下施加熱壓，NCF在高溫下融化，起到連接凸點並固定芯片的作用。而SK海力士在前兩代HBM上也使用過TC-NCF技術，最終在HBM2E上切換到了MR-MUF技術，這一技術在每次堆疊DRAM時，會先通過加熱進行臨時連接，最終在堆疊完成後進行迴流焊以完成鍵合，隨後填充環氧模塑料（EMC），使其均勻滲透到芯片間隙，起到支撐和防污染的作用。就目前而言，MR-MUF相較於TC-NCF具備更多優點，據 SK 海力士稱，與 NCF 相比，MR-MUF 的熱導率大約是 NCF 的兩倍，對工藝速度和產量有顯著影響。不過無論是哪一種工藝，最終都會需要用到TCB鍵合機這類設備，隨着HBM的生產規模不斷擴大，TCB鍵合機市場也在水漲船高。據摩根大通預測，HBM 用 TCB鍵合機的整體市場規模將從 2024 年的 4.61 億美元增長至 2027 年的 15 億美元（約 2.16 萬億韓元），增長兩倍以上。誰是領頭羊？目前而言，TCB鍵合機市場目前呈“六強格局”。其中，韓國有韓美半導體、SEMES、韓華SemiTech，日本有東麗（Toray）、新川（Shinkawa），新加坡則有ASMPT。在這之中，韓美半導體在HBM TCB鍵合機市場上擁有最高的市場佔有率。韓媒指出，自 2017 年以來，韓美半導體一直與 SK 海力士合作開發用於 HBM 製造的 TC 鍵合機，隨着SK海力士事實上成爲英偉達AI芯片HBM的獨家供應商，韓美半導體也鞏固了其在HBM TC鍵合機市場的地位，其在去年的營業利潤增長了639%，達到2554億韓元。除此之外，韓美半導體已開始致力於進一步增強其全球市場主導地位，開始將供應線擴大到 SK 海力士以外的公司，據瞭解，韓美半導體去年就爭取到了此前主要使用日本新川的美光公司作爲客戶。而據韓國業內最新消息，韓美半導體在今年4月從美光獲得了約50臺TCB鍵合機的訂單。這是繼去年向美光供應數十臺TCB鍵合機之後，今年再次獲得的大規模追加訂單。據悉，美光爲避免其產能信息外泄，將此次合同金額分拆爲無需公開披露的小額訂單分別下單，且供應給美光的TCB鍵合機價格比SK海力士購買的同類設備高出30%~40%。價格差異源於兩家公司在技術路徑上的不同。美光采用的TC-NCF工藝相比SK海力士所採用的MR-MUF工藝有所不同，其設備頭部結構更復雜，因此單臺設備的價格也更高。香港證券公司里昂證券（CLSA）預測，“雖然韓美半導體74%的TC鍵合機銷售額來自SK海力士，但通過客戶多元化，到2027年，該公司將把對SK海力士的依賴度降低到40%”，並補充道，“目前看來，該公司很可能將在HBM TCB鍵合機市場保持較高的市場份額。”韓國業內人士表示：“韓美半導體目前已將其TCB鍵合機供貨至美光等多箇客戶，擁有龐大的客戶基礎，其他廠商要在短期內追趕並不容易。”摩根大通（JP Morgan）最近發佈的報告也指出，未來至少三年內韓美半導體仍將主導該細分市場。韓美半導體對此也表現出十足的自信。公司會長郭東元在韓華SemiTech傳出與SK海力士簽訂供貨合同後，曾公開表示：“後發廠商的技術雖有一定水準，但韓華SemiTech最終可能也僅拿到少量訂單，結果無疾而終。”韓國內戰韓美半導體社長提到的韓華SemiTech又是何方神聖呢？同爲韓國企業的韓華SemiTech原名“韓華精密機械”，在去年完成更名，正式確立了其作爲半導體專用設備廠商的市場定位。而早在2020年，韓華SemiTech就已啓動HBM用TCB鍵合機的研發，併成功與SK海力士簽訂了供貨合同。韓華SemiTech受到高度關注的原因，在於其背後有韓華集團的強力支撐。集團會長金升淵的三子——金東善副社長目前負責集團未來戰略，其曾公開表示將繼續在該領域投資，以強化韓華SemiTech的競爭力。儘管市場普遍預計韓美半導體的領先地位至少能維持三年，但韓華SemiTech如何攪動市場格局成爲了焦點。爲提升HBM產能，SK海力士正嘗試多元化TCB鍵合機供應商，並已在今年兩次向韓華SemiTech下單，總金額約達420億韓元，共12臺TC鍵合機。而長期爲SK海力士供貨的韓美半導體對此表示強烈不滿，原因是SemiTech是其存在技術泄露和專利侵權爭議的競爭對手。半導體業內人士指出：“最具爭議的是，韓華SemiTech的TC鍵合機價格被定在高於韓美半導體原有設備的水平。對於一直與SK海力士保持緊密同盟關係的韓美半導體而言，這是難以接受的。”因此，韓美半導體採取了報復性措施，將此前對SK海力士提供的客戶服務（CS）從免費轉爲收費，並通知其將設備供貨價格上調28%。SK海力士方面則回應稱，設備價格是根據與供應商的協商決定的，並無給予韓華Semitec“無理由溢價”的情況。一位熟悉SK海力士的業內人士表示：“TCB鍵合機的合同根據SK海力士所需的附加選項而有所不同，因此每家供應商的合同條款自然也有所區別。”據悉，SK海力士給予韓華SemiTech設備高評價的原因，正是其在自動化系統和維護便利性方面的表現。韓華SemiTech方面表示：“此次供貨的TCB鍵合機以‘減少人工操作’爲目標，搭載了多種數字化解決方案與自動化系統，並採用了更適合工程師使用的軟件。”他們補充道：“設備能夠輕鬆支持8層、12層乃至16層堆疊，最大限度地反映了SK海力士工程師的需求。我們正集中全公司力量，力爭擴大今年的供貨量。新加坡也要分一杯羹對於TCB鍵合機這一市場而言，兩家韓國設備廠商固然有不少看點，但位於新加坡的ASMPT同樣實力不俗。據韓媒報道，SK海力士在其最先進的HBM3E的技術開發中，很可能引入新加坡ASMPT的設備。由於HBM是通過堆疊多層DRAM芯片實現封裝的，隨着層數增加，其良率變得不穩定，據傳ASMPT的設備在這一方面獲得了SK海力士的高度評價。韓國業界人士於今年2月透露，SK海力士已從ASMPT訂購了TCB鍵合機，並正在HBM3E 16層產品等多款HBM產品線上進行測試。據瞭解，SK海力士今年1月在美國拉斯維加斯舉行的“CES 2025”上展示了使用ASMPT設備製造的HBM3E 16層產品，這一產品被認爲是從HBM3E 12層向下一代HBM4（第六代HBM）過渡的中間版本，而韓國業內部分人士指出，去年ASMPT已有30多臺設備部署到SK海力士的生產線中。一位半導體行業人士表示：“由於HBM4與前幾代產品不同，普遍爲定製開發，因此部分客戶更可能優先採用通用性更強的HBM3E。”他補充道：“隨着如DeepSeek等低成本AI模型的興起，對比價格昂貴的HBM4，HBM3E產品線可能會維持更長的硬件需求週期。”隨着HBM堆疊層數增加，製程難度也同步上升，綁定設備的重要性隨之提升。例如在HBM3E 12層中，由於芯片Die變得更薄，爲防止彎曲，需要在鍵合過程中施加輕微熱量使其略爲粘合，再進行迴流焊接，SK海力士將此工藝稱爲hMR（heated Mass Reflow）。一位熟悉SK海力士的知情人士表示：“在HBM3E 16層的工藝模擬過程中，發現隨着堆疊層數增加，ASMPT設備的性能超過韓美半導體設備。”他補充說：“CES 2025上公開的HBM3E 16層產品採用ASMPT設備，這一事實顯然與其設備表現優異密切相關。”值得一提的是，無助焊劑鍵合技術作爲TCB的上位替代，最早應用於其他半導體封裝場景，但近年來隨着HBM需求激增，逐漸成爲內存製造領域的關鍵創新方向，目前有兩家新加坡公司在這一方面均有所佈局。除了前文中提到的ASMPT外，同在新加坡的K&S（庫力索法 Kulicke & Soffa）也加入了這場新的競爭之中，其在半導體領域長期專注於傳統封裝方式，如金線鍵合（Wire Bonding），但近年來開始大力拓展先進封裝技術市場。這兩家設備廠在無助焊劑鍵合上採用了不同的方案，K&S採用化學方法（甲酸）去除晶圓表面的氧化層，而ASMPT（以及其他鍵合設備廠商）則採用物理方法（等離子清洗）。據瞭解，K&S 推出的甲酸法優點是可以在熱壓鍵合的同時去除氧化層，避免焊球表面再次氧化的風險（見下圖）。缺點是化學制程會留下殘留物（如上圖化學反應式所示），鍵合後需要額外的清洗站來保證良率（凸塊間距越小，殘留物越難徹底清洗），導致機臺產能下降。而ASMPT的等離子方法產量較高，不需要額外的清洗站。不過，氧化層的去除和熱壓接合不能同時進行。在這種方法中，物理離子轟擊焊球表面，先去除氧化層，然後再進行熱壓接合，兩個步驟之間有再次氧化的風險，此外，不同的芯片需要調整不同的等離子配方，使工藝更加複雜。新加坡半導體設備企業正在通過押注無助焊劑鍵合技術，開始確立自己在HBM設備市場中的地位。被忽略的三星前文中只提到了SK海力士和美光，那麼三大HBM巨頭之一的三星在TCB鍵合機上又是如何抉擇的呢？據瞭解，此前三星電子一直從其半導體設備子公司SEMES和日本新川採購用於NCF工藝的TCB鍵合機，儘管三星與新川之間一直保持着緊密合作，但最近其供應結構已經轉向以SEMES爲中心的格局。業內分析指出，新川設備的性能近年來已不及競爭對手產品，加之三星正通過SEMES推進TCB鍵合機的自研內化，強化其盈利能力。在SEMES設備技術水平提升的背景下，三星轉而使用自家設備而非新川產品，此外，這也意味着SK海力士和美光所採用的韓美半導體設備未來被三星引入的可能性也變得更低。一位半導體行業相關人士透露：“三星電子已不再使用新川設備。過去三星在HBM堆疊的最初階段——4層工藝中使用新川的TCB鍵合機，但目前連這一部分也逐漸由SEMES全權負責。”三星電子與美光目前所採用的TC-NCF方式，是在芯片之間夾入絕緣薄膜，再通過熱壓使薄膜熔化並實現粘接。這種工藝雖然結構簡單、便於厚度控制，但在散熱性能方面存在劣勢。新川曾長期向這兩家公司提供該類設備。隨着HBM從4層 → 8層 → 12層 → 16層不斷演進，堆疊層數的增加也對TCB鍵合機提出了更高要求，4層HBM產品已問世超過10年，目前屬於老舊產品，而用於該工藝的新川設備也被認爲是相對低規格的設備。隨着堆疊層數上升至8層，對設備技術提出更高要求，三星已將新川設備逐步替換爲SEMES設備。據分析，即使在4層產品上，實際也已轉由SEMES主導，另據悉，三星目前仍將HBM2E（4層）產品供應給華爲以及部分中國GPU廠商。上述人士還指出：“新川的TCB鍵合機僅由一箇電機驅動兩個焊頭，技術水平相對較低。對三星來說，已不再有維持‘雙重供應商’策略的必要。”他還補充道：“從新川財報中也未發現來自三星的銷售數據，這被業內普遍視作兩家公司事實上已經分手。”這也意味着，繼失去美光之後，新川可能會失去在三星的核心設備供應商地位。與此同時，SEMES的業績有望隨之改善。此前由於三星對TCB鍵合機的訂單減少，SEMES一度經營承壓。2023年，SEMES的銷售額爲24450億韓元，較前一年（25155億韓元）下降2.8%，但同期營業利潤從667億韓元大幅增長至1212億韓元，年增幅高達81.7%。這主要得益於其顯示器設備業務的大幅增長，而非主力半導體設備。按銷售和訂單結構來看，SEMES的半導體設備銷售額從2022年的15515億韓元降至2023年的12599億韓元，減少18.79%；而顯示設備銷售額則從136億韓元暴增至1507億韓元，增長逾1000%。此前一度考慮撤出的顯示業務，在獲得三星顯示的大額訂單後，彌補了半導體設備訂單的空缺。若SEMES成爲三星TCB鍵合機的獨家供應商，其半導體設備營收佔比有望再次上升。另一方面，曾被傳將與三星合作的韓美半導體，向三星供應TCB鍵合機的可能性也進一步降低。業內傳言稱，韓美半導體已被排除在三星的TCB鍵合機供應名單之外。由於韓美曾與SEMES發生專利訴訟，若兩家公司同時向三星供貨，可能會因技術泄露風險導致合作顧慮。因此，韓美半導體預計將繼續聚焦於向美光與SK海力士供貨。國內被斷供？不難看出，近兩年HBM專用的TCB鍵合機市場發生了非常大的變化，由過去新川和東麗等日系廠商爲主導轉向以韓美和韓華等韓系廠商爲主導，考慮到目前HBM市場中SK海力士一家獨大的情況，未來TCB鍵合機市場的走向很大程度上就取決於這一家廠商的選擇。而這種韓系一家獨大的情況也帶來了一些問題。近日行業傳言稱，韓國政府計劃限制HBM設備的出口，特別是關鍵的TCB鍵合機。據悉，韓國政府已要求本土主要的TCB鍵合機製造商，暫停向特定國家和地區的客戶交付設備，同時收緊對相關技術出口的審批流程。對於國內而言，目前已有多家半導體設備公司正在全力攻堅高端封裝設備，其中一部分廠商已在TCB設備領域取得初步突破：雖然部分國內企業在貼裝、加熱、對準等子系統已具備技術儲備，但整機集成能力、熱壓頭模塊、壓力控制系統、高精度機械臂等關鍵技術仍有待突破。尤其是“大設備系統整合+客戶產線驗證”環節，是國產設備廠商短期面臨的最大挑戰。韓國半導體設備，崛起值得關注的是，不只是TCB鍵合機這一類產品，韓國半導體設備廠商正在藉由HBM的熱銷悄然崛起。據TheElec對2024年第四季度韓國46家半導體設備企業的業績分析，營業利潤率最高的六家公司分別是：韓美半導體、Techwing、Zeus、Juseong Engineering、DIT與Oros Technology這六強中有四家聚焦於後處理設備，深受HBM與先進封裝熱潮帶動。作爲排名第一的企業，韓美半導體2024年銷售額達5589億韓元，營業利潤高達2554億韓元，年利潤增長六倍，營業利潤率達46%。該公司長期以來向SK海力士獨家供應HBM用TC鍵合機，構建起強勢的技術壁壘。緊隨其後的是Techwing，2023年實現銷售額1855億韓元、營業利潤234億韓元，其中約45%營收來自美光。核心產品爲內存測試處理機，公司近期更因其全新HBM測試設備“Cube Prober”而成爲業界焦點。傳統上，HBM芯片在出貨前並不進行最終測試，存在較大風險。英偉達近期改變策略，計劃引入最終檢查流程以提升產品可靠性和成本控制，這也讓Techwing的Cube Prober成爲唯一入選的新一代測試設備。當前，該設備已向三星出貨，並正在SK海力士進行質量驗證，未來潛力被普遍看好。位列第三的Zeus專注HBM TSV（硅通孔）清洗設備，2024年營收達4908億韓元，營業利潤492億韓元，利潤增長率接近600%。其後段處理設備“Atom”與“Saturn”已被業界廣泛採用，並憑藉快速交付能力成功打入HBM產業鏈。此外，Zeus正在聯合美國Pulseforge開發基於光子技術的剝離設備，並於Semicon Korea展會上首度公開新一代TBDB設備，展示其持續創新能力。第四名的Juseong Engineering則是一家ALD（原子層沉積）設備製造商，2024年營收爲4094億韓元，營業利潤顯著增長250%以上，其中高達85%（3464億韓元）來自中國市場。公司多年深耕中國市場，與多家中資客戶建立合作。然而，美國針對中國半導體產業的出口管制政策使其面臨不確定性。儘管如此，由於Juseong提供的是相對高技術含量的設備，中國客戶短期內難以替代，使其仍具穩定的市場份額。第五名的DIT以激光解決方案見長，2024年營收1167億韓元，營業利潤241億韓元，其中激光退火設備佔59%。該公司與SK海力士自2019年開始聯合開發HBM用激光退火技術，並於2023年下半年起正式導入HBM3E量產線，成爲其核心工藝之一。激光退火技術的突破不僅驗證了DIT的研發能力，也打開了HBM先進製程的大門。排名第六的Oros Technology去年營收爲614億韓元，營業利潤61億韓元。雖然體量相對較小，但其焊盤覆蓋設備在HBM後段製程中具備不可替代性，目前由其獨家供應。去年中，該公司成功進入日本鎧俠的供應鏈，並簽下與三星電子價值96億韓元的合同，客戶結構逐步多元化。由於日本半導體設備自給率高、外部准入門檻高，因此Oros能打入Kioxia供應鏈被視爲技術突破的象徵。六家韓國半導體設備企業中，除Juseong Engineering外，均與HBM後處理及先進封裝緊密相關，在韓美半導體之外，Techwing、Zeus等企業憑藉獨門產品和工藝快速突圍，這也顯示出了韓國設備產業由單一強者向多元格局轉變的趨勢。在HBM領域裏，韓系廠商尤其是韓美半導體依舊具備無可爭議的統治力。據報道，韓美半導體在5月14日宣佈，將推出用於HBM4生產的專用設備“TC Bonder 4”，這是一款針對HBM4特性大幅提升了精度與生產效率的高性能鍵合設備。韓美半導體會長表示：“新推出的‘TC Bonder 4’是專爲HBM4開發的設備，即使在要求極高精度的16層以上堆疊工藝中，也能實現高生產效率和高品質。”這也是首個針對HBM4推出TCB鍵合機的設備廠商，儘管SK海力士開始轉向多供應商的模式，但在高層數堆疊上，恐怕依舊離不開韓美半導體。包括韓美在內的設備廠商，正是韓國能在HBM設備上卡脖子的底氣所在，不過從長期來看，韓國若執意限製出口，反而會倒逼國內HBM生態鏈加速建立，涵蓋TCB設備、COWOS封裝、HBM堆疊、芯粒設計、EDA協同等一整套本土化路徑。半導體精品公衆號推薦專注半導體領域更多原創內容關注全球半導體產業動向與趨勢*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4038期內容，歡迎關注。『半導體第一垂直媒體』實時 專業 原創 深度公衆號ID：icbank喜歡我們的內容就點“在看”分享給小夥伴哦 (本文内容不代表本站观点。) --------------------------------- |
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