HBM的意外赢家

Original L晨光半导体行业观察

2024-09-05

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伴随AI的兴起，HBM成为巨头们抢占的高地。三星、SK海力士、美光等存储巨头纷纷将HBM视为重点生产产品之一。

HBM的火热，给市场掀起巨大波澜。

根据TrendForce数据预测，2024年HBM需求位年增长率近200%，2025年有望再翻倍。SK海力士与美光曾公开表示，两家2024年的HBM已经售罄，就连2025年的HBM产量也几乎被预订一空。

供不应求的供需关系背后，HBM供应商们各个赚的盆满钵满。甚至在前几年存储市场数个季度持续低迷的态势下，HBM业务仍表现亮眼，成为拉动存储厂商需求提升的关键。

当前，HBM市场格局三分天下。有数据统计，SK海力士占据超过50%的市场份额，三星约占40%，美光市占率或不足10%。若以现阶段主流产品HBM3产品来看，SK海力士于HBM3市场比重超过9成，三星与美光紧追在后。

然而，除了三巨头之外，HBM对设备市场带来增量需求。对前道设备而言，HBM需要通过TSV进行垂直方向连接，会带动刻蚀设备、PECVD、PVD、ECD和减薄抛光等前道设备增量需求，但相对有限。

后道环节，由于HBM堆叠结构增多，要求晶圆厚度不断降低，对减薄、键合等设备需求提升较大，后道封测设备则存在量价齐升的逻辑。

其中，TC Bonder（热压键合机），就是HBM制造过程的必备设备。

TC键合机对于HBM生产至关重要，它使用热压将芯片键合和堆叠在加工后的晶圆上，对HBM的良率有重大影响。因此，TC键合机被认为是HBM制造过程中不可或缺的设备之一，也是HBM浪潮中受益较大的环节之一。

据QY Research数据，可用于先进封装的高精度TC bonder设备2022年全球市场规模达0.8亿美元，预计2029年将达到4亿美元，2023-2029年CAGR高达25.6%。

HBM浪潮下，TC键合机崛起

能看到，随着HBM和3D封装的商业化，TC键合机市场正在快速增长。

为了应对市场增长，韩美半导体和三星旗下SEMES等韩国设备公司已成功实现HBM的TC键合机国产化，但对海外设备公司的TC键合机的依赖度仍然很高，例如日本的新川、东丽，新加坡的Kulicke & Soffa和ASMPT和荷兰的BESI等公司也是TC键合机市场的强势参与者。

据了解，HBM厂商基本已各自建立了TC键合机供应链。三星电子从日本东丽、新川和旗下SEMES获得供货；SK海力士正在从新加坡ASMPT、韩美半导体和和韩华精密机械接收用于HBM的TC键合设备。两家公司自去年以来一直在加速本地化工作，以减少对外国设备的依赖。

美光则游走在日韩设备厂商中，急于追赶HBM产能。

在存储三巨头共同发力下，用于HBM的TC键合设备迎来了新的增长机遇。

韩美半导体，引领TCB市场

韩美半导体（Hanmi Semiconductor）成立于1980年，初期生产芯片载体模具与封装注塑等塑封设备。2017年开始与SK海力士共同研发用于HBM封装及2.5D封装的Dual TC Bonder。

2017年与SK海力士共同开发了TC键合机，为SK海力士的MR-MUF工艺提供设备，该工艺使用类似粘合剂的材料来键合DRAM芯片。

2023年发布新一代Dual TC Bonder超级型号GRIFFIN和高级型号DRAGON，两者皆采用TSV方法制造的半导体芯片堆叠在晶圆上的双机台键合设备，可用于当前HBM用TC的两种主要解决方案TC+NCF与TC+MUF。同时推出的TC Bonder CW2.0适用于台积电CoWoS工艺，正在客户处积极研制。

自2022年以来，韩美半导体的TCB设备一直引领市场。

资本市场就是一个很好的信号，2022年底以来，韩国“妖股”韩美半导体飙升近1200%，疯狂的涨势吸引了众多投资者涌入。今年以来，韩美半导体股价再翻番，成为MSCI亚太指数中表现最好的股票。

据了解，韩美半导体在全球拥有五家工厂，可实现客户深度覆盖，并且公司具备170台数控自动化设备，通过构建设计、组件处理、输入软件、组装、测试垂直一体化生产方式，可加速交付，缩短交付时间，提高效率。

在供应方面，韩美半导体深度绑定SK海力士，SK海力士HBM扩产带动其TC键合设备需求。

据悉，SK海力士计划在清州工厂建造一条新的HBM 生产线，将于明年开始全面运营，其HBM产能预计扩大至少两倍，巩固HBM市场的领导地位。其中，韩美半导体被列为产线设备主要供应商之一，收到SK海力士大量订单；今年来，SK海力士清州工厂还计划在现有晶圆厂附近建设一座新晶圆厂（M15X），预计2025年竣工，方便未来扩大产能，在清州可实现建设第6代HBM（HBM4）生产线，目标2026年实现量产。因此，韩美半导体设备的持续迭代，未来可深度受益海力士HBM4产线。

为了应对HBM市场需求，韩美半导体TC Bonder计划再扩产，加强供应能力。据悉，韩美半导体新工厂位于仁川市，利用已拥有的五家工厂中的第三家。该工厂总面积2万多平方米，原用于公司设备的组装和测试，现已转型为专门生产双TC键合机和其他TC键合机的工厂，该工厂拥有大型洁净室，可同时组装和测试约50台半导体设备，为Dual TC Bonder的生产提供了优化的环境。

伴随新工厂的开业，有望满足市场上对双 TC 键合机设备日益增长的需求，确保在HBM需求激增背景下，重要零部件的稳定供应。

今年6月，SK海力士与韩美半导体签署了价值1500亿韩元的TC键合设备供应合同，后者从SK海力士获得的HBM TC键合机订单累计金额已达3587亿韩元。一台TC键合机价格约20亿韩元。

此外，在今年4月，美光也向韩美半导体提供了价值226亿韩元的TC Bonder采购订单，这一举措不仅加强了双方的合作关系，也体现了美光对于供应链稳定性和可靠性的高度重视。通过与韩美半导体的合作，美光将能够更好地应对市场需求的变化，确保HBM3E产品的稳定供应。

韩美半导体在大幅扩展其半导体后端工艺设备产品组合的同时，还计划于2026年推出“混合键合”设备。

目前韩美半导体已获得来自SK海力士和美光的的 HBM 键合设备订单，预计未来还将增加其他客户订单。韩美半导体首席执行官Kwak Dong-shin表示：“目前已将今年的销售目标提高到6500亿韩元，明年提高到1.2万亿韩元，2026年提高到2万亿韩元。”

有分析师预测，由于对TC键合机的需求不断增长和产能不断扩大，韩美半导体明年的产能将从今年的每月22台扩大到每月35台。

SEMES：TC键合机营收将提升2.5倍

据悉，三星电子旗下子公司SEMES一年内已给三星交付近百台TC键合机。

SEMES生产针对TC-NCF工艺优化的TC键合机，并将其供应给三星，该工艺涉及每次堆叠芯片时铺设薄膜材料。

尽管韩美半导体目前拥有技术优势，但SEMES正在迅速缩小差距。在TCB技术和工艺良率方面取得的成就使SEMES在一年内出货了100台TC键合设备。并积极开发混合键合（Hybrid Bonding）设备。

今年4月，三星使用子公司SEMES的混合键合设备成功制作了HBM 16H样品，并验证了其正常运作。

据韩媒Deal Site报道，SEMES的技术突破与三星业绩提升的协同效应有望大幅增强，三星HBM产量有望大幅增加，有望为SEMES带来大量设备订单，带动营收增长，并形成技术投入的良性循环。

2021年，三星的强劲表现推动SEMES成为韩国首家营收突破3万亿韩元的半导体设备公司。三星计划在2024年将HBM产能提高至2023年的三倍，这对SEMES来说无疑是一大利好。

SEMES的目标是在2024年实现实现TC键合机销售额超过2500亿韩元，约为2023年的2.5倍。

随着包括三星在内的多家存储芯片厂商提高HBM产能，迭代HBM产品，预计SEMES公司TCB设备的整体收入将上升。不过，目前三星仍在很大程度上依赖东丽、Shinkawa（新川）等日本公司的设备，如果SEMES要想提升业绩，还需进一步加强设备投资和开发的多元化。

韩华精密机械：打入SK海力士供应链

作为SK海力士在HBM发展中的TCB主力厂商 , 一直与SK海力士荣辱与共的韩美半导体, 在下一代TCB设备上则遭受韩华精密机械（Hanwha Precision Machinery）与ASMP的竞争。

据韩媒报道，SK海力士将在2024年下半购买30多台用于12层第五代HBM（HBM3E）的可进行加热回流的TC键合机。

但韩美半导体最新的第四代设备「Dual TC Bonder Tiger」尚未在SK海力士完全实现hMR的demo ，无法执行加热质量回流工艺，正在改善设备效能，且获得生产效率须提高的评价；ASMPT设备的hMR制程质量虽在评价方面优于韩美半导体，但有声音表示ASMPT设备尺寸较大，ASMPT也正依照SK海力士的要求改善设备。

然而韩华精密机械TCB设备样品的测试结果优于韩美半导体，韩华精密机械于6月10日与SK海力士签署协议，将向SK海力士供应两台TC键合机，该设备由双方合作开发，最近已通过外部质量测试。韩华的两台设备用于评估，尚未投入生产。SK海力士计划在7月底之前评估其配备键合机的生产线。如果键合机通过生产线评估，SK海力士预计将在今年下半年批量订购。

据悉，韩华精密机械为消化相关设备订单，正在南韩昌原工厂新增组装设备。

引起外界关注的是，这是韩华精密机械首次供应TCB设备给SK海力士的HBM生产线。业界人士指出，SK海力士制造部门自韩华精密机械制造设备阶段参与，假使韩华精密机械不能通过SK海力士测试，SK海力士TCB设备仍会走向双轨制、三分局面。

ASMPT携手美光，瞄准TC键合机

ASMPT也是HBM中用到的TC键合机供应商之一。

今日，ASMPT与美光公司宣布了一项重要的合作，ASMPT已向美光提供了专用于HBM生产的TC键合机，双方将携手开发下一代键合技术，以支持HBM4的生产。

这一合作标志着ASMPT在半导体后端制造设备领域的领先地位得到了进一步巩固，同时也显示出美光对于前沿内存技术的持续追求和投入。

美光作为内存行业的领军企业，一直致力于推动内存技术的创新和发展。除了与ASMPT的合作外，美光还从日本新川半导体和韩美半导体采购了TC键合机，用于生产当前的HBM3E产品。

受益于人工智能的蓬勃发展，先进封装设备成为ASMPT的主要增长动力，公司热压式固晶（TCB）设备、混合键合式固晶（HB）设备可广泛应用于AI加速卡的2.5D/3D封装和HBM的3D堆叠封装。

截止24Q1季报，ASMPT的TCB产品已经应用于头部晶圆代工厂C2S和C2W工艺，并导入头部HBM厂商用于12层HBM堆叠。HB设备亦在2023年获得用于3D封装的2台订单，并在与客户开发下一代HB产品。

日本设备厂商，竞逐TC键合机

众所周知，除了ASMPT外，美光一直在使用日本新川和东丽的TC键合机，两家公司都是TC键合机行业的传统参与者。

此外，据韩媒TheElec去年12月报道，三星已向日本新川公司（Shinkawa）订购了16台2.5D键合设备。报道引述消息人士称，目前三星已收到7台设备，可能在需要时申请剩余的设备。这很可能是为了给英伟达下一代的AI芯片提供HBM3和2.5D封装服务。

然而，据消息人士透露，由于新川半导体正在向其最大客户三星电子供应TC键合机，导致无法及时满足美光的需求。与韩国主要竞争对手相比，美光一直因产能不足而受到批评。

因此，美光决定增加韩美半导体作为第二供应商，希望通过与跟多设备厂商的交易加快HBM产能的扩张。

此外，荷兰企业BESI也在积极开发TC键合设备，以及一系列设备环节厂商都在积极部署，以满足市场对高性能内存封装技术的需求。

混合键合技术，为设备带来新动能

当前HBM实现多层DRAM互联的主要解决方案为TC-NCF与MR-MUF两种。

TC+NCF工艺中先使用非导电薄膜填充DRAM die微凸点侧的微凸点间空隙，之后使用热压键合工艺连接两层die，三星和美光主要使用该种方案；TC+MR MUF，批量回流模制底部填充是SK海力士的高端封装工艺，通过将芯片贴附在电路上，在堆叠时，在芯片和芯片之间使用一种称为液态环氧树脂塑封的物质填充并粘贴。

TC-NCF和MR-MUF各有优劣势。相比回流焊接，热压焊接可以更有效地控制芯片翘曲度等，但是，由于MR-MUF是一次性完成凸块间的电气连接和芯片间的机械连接，TC-NCF需要在每一层堆叠时都进行电气和机械连接。对比NCF，MUF能有效提高导热率，并改善工艺速度和良率。

由于市场对HBM产品需求不断增加，预计未来将需要12-16层甚至更高的多芯片堆叠技术。为了实现这一目标，不仅需要减小芯片的厚度和凸块电极的尺寸，还需要去除芯片之间的填充物。对此，混合键合技术（Hybrid Bonding）可以大幅缩小电极尺寸，从而增加单位面积上的I/O数量，进而大幅降低功耗。

与此同时，混合键合方法可以显著缩小芯片之间的间隙，由此实现大容量封装。此外，它还可以改善芯片散热性能，降低芯片厚度，有效地解决因耗电量增加而引起的散热问题。

混合键合成为大厂布局的下一代键合技术，其可以分为W2W和D2W，前者因为生产效率高等优势而商业化程度比较高，后者至今只有AMD某款芯片一个应用场景，可以减少浪费。

三星电子在2024年IEEE国际会议上发布了一篇韩文论文，详细阐述了其在HBM领域取得的重大突破。该论文明确指出，为了实现16层及以上的HBM内存堆叠，必须采用混合键合技术，称这一创新技术将引领内存封装领域的新潮流。三星计划于2025年制造HBM4样品，该样品将采用16层堆叠设计，并预计于2026年实现量产。

另一边，SK海力士也计划于2026年在其HBM生产中采用混合键合，目前半导体封装公司Genesem已提供两台下一代混合键合设备安装在SK海力士的试验工厂，用于测试混合键合工艺。混合键合取消了铜焊盘之间使用的凸块和铜柱，并直接键合焊盘，这意味着芯片制造商可以装入更多芯片进行堆叠，并增加带宽。

可以预见，若未来混合键合技术在HBM上得以应用，混合键合设备市场规模将会有明显扩容。设备公司也在配合三星和SK海力士等HBM供应商积极布局混合键合技术，以降低技术路径变化带来的产品替代风险。

写在最后

19世纪淘金热时期的那个道理被再一次证明：卖铲子，有时比挖金子更赚钱。

因为在淘金热中，铲子是必不可少的生产工具，不管你有没有挖到金子，淘金的热度越大，卖出的铲子就越多。

对应到当今时代，前几年大火的比特币，挖矿的不一定赚钱，但卖矿机的是妥妥赚到了；造车新势力还没有盈利，宁德时代市值早已破万亿；国内车规芯片还未卷出眉目，车规认证机构已赚的盆满钵满...，这样的例子还有很多。

如今，AI热潮兴起，科技巨头不惜成本疯狂涌入，终端大模型陷入“百团大战”，一时分不出胜负。而英伟达、AMD等为代表的上游算力作为“卖铲人”角色，早已率先受益于AI浪潮。

如此，TC键合设备也成为HBM时代的“意外赢家”。

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