2024年，HBM成为半导体产业最炙手可热的产品之一。随着AI大模型和高性能计算的狂飙突进，英伟达等巨头对HBM的需求水涨船高，内存厂的HBM订单早已售卖一空，尤其是SK海力士，其在HBM市场占有率高达70%，更是赚得盆满钵满。
然而，就在这股浪潮背后，名为“TCB（Thermal Compression Bonding）键合机”的设备，正在悄然决定HBM产业链的上限，不论是SK海力士，还是美光三星，都在过去一年时间里加大了设备方面的投入，也让更多设备厂商有机会吃上这波AI红利。
什么是TCB？
先来了解一下目前HBM芯片的键合技术。在传统的倒装芯片键合中，芯片被“翻转”，以便其焊料凸块（也称为 C4 凸块）与半导体基板上的接合焊盘对齐。整个组件被放置在回流炉中，并根据焊料材料均匀加热至 200ºC-250ºC 左右。焊料凸块熔化，在接合和基板之间形成电气互连。
随着互连密度的增加和间距缩小到 50µm 以下，倒装芯片工艺面临一些挑战。由于整个芯片封装都放入烤箱中，芯片和基板会因热量而以不同的速率膨胀（即不同的热膨胀系数，CTE），从而产生变形，导致互连出现故障。然后，熔融焊料会扩散到其指定区域之外。
这种现象称为焊料桥接，会导致相邻焊盘之间出现不必要的电连接，并可能造成短路，从而导致芯片出现缺陷。这就是TCB（热压键合）工艺发挥作用的地方，因为它可以解决间距缩小到某个点以下时倒装芯片工艺出现的问题。
TCB的优势在于，热量是通过加热工具头局部施加到互连点上，而不是在回流焊炉（倒装芯片）中均匀施加。这样可以减少向基板的热量传递，从而降低热应力和 CTE 挑战，实现更强大的互连。对芯片施加压力以提高粘合质量并实现更好的互连。典型的工艺温度范围在 150ºC-300ºC 之间，压力水平在 10-200MPa 之间。
除此之外，TCB 允许的接触密度比倒装芯片更高，在某些情况下每平方毫米可达到 10，000 个接触点，但更高精度的主要缺点是吞吐量较低。虽然倒装芯片机每小时可以达到超过 10，000 个芯片的吞吐量，但 TCB 的吞吐量则在 1，000-3，000 个芯片的范围内。
目前，三星和美光在HBM制造的后端工艺环节均采用了“TC-NCF（非导电胶膜）”技术。这一工艺是在各层DRAM之间嵌入NCF，并通过TCB工艺从上至下施加热压，NCF在高温下融化，起到连接凸点并固定芯片的作用。
而SK海力士在前两代HBM上也使用过TC-NCF技术，最终在HBM2E上切换到了MR-MUF技术，这一技术在每次堆叠DRAM时，会先通过加热进行临时连接，最终在堆叠完成后进行回流焊以完成键合，随后填充环氧模塑料（EMC），使其均匀渗透到芯片间隙，起到支撑和防污染的作用。
就目前而言，MR-MUF相较于TC-NCF具备更多优点，据 SK 海力士称，与 NCF 相比，MR-MUF 的热导率大约是 NCF 的两倍，对工艺速度和产量有显著影响。
不过无论是哪一种工艺，最终都会需要用到TCB键合机这类设备，随着HBM的生产规模不断扩大，TCB键合机市场也在水涨船高。据摩根大通预测，HBM 用 TCB键合机的整体市场规模将从 2024 年的 4.61 亿美元增长至 2027 年的 15 亿美元（约 2.16 万亿韩元），增长两倍以上。
谁是领头羊？
目前而言，TCB键合机市场目前呈“六强格局”。其中，韩国有韩美半导体、SEMES、韩华SemiTech，日本有东丽（Toray）、新川（Shinkawa），新加坡则有ASMPT。
在这之中，韩美半导体在HBM TCB键合机市场上拥有最高的市场占有率。
韩媒指出，自 2017 年以来，韩美半导体一直与 SK 海力士合作开发用于 HBM 制造的 TC 键合机，随着SK海力士事实上成为英伟达AI芯片HBM的独家供应商，韩美半导体也巩固了其在HBM TC键合机市场的地位，其在去年的营业利润增长了639%，达到2554亿韩元。
除此之外，韩美半导体已开始致力于进一步增强其全球市场主导地位，开始将供应线扩大到 SK 海力士以外的公司，据了解，韩美半导体去年就争取到了此前主要使用日本新川的美光公司作为客户。
而据韩国业内最新消息，韩美半导体在今年4月从美光获得了约50台TCB键合机的订单。这是继去年向美光供应数十台TCB键合机之后，今年再次获得的大规模追加订单。据悉，美光为避免其产能信息外泄，将此次合同金额分拆为无需公开披露的小额订单分别下单，且供应给美光的TCB键合机价格比SK海力士购买的同类设备高出30%~40%。
价格差异源于两家公司在技术路径上的不同。美光采用的TC-NCF工艺相比SK海力士所采用的MR-MUF工艺有所不同，其设备头部结构更复杂，因此单台设备的价格也更高。
香港证券公司里昂证券（CLSA）预测，“虽然韩美半导体74%的TC键合机销售额来自SK海力士，但通过客户多元化，到2027年，该公司将把对SK海力士的依赖度降低到40%”，并补充道，“目前看来，该公司很可能将在HBM TCB键合机市场保持较高的市场份额。”
韩国业内人士表示：“韩美半导体目前已将其TCB键合机供货至美光等多个客户，拥有庞大的客户基础，其他厂商要在短期内追赶并不容易。”摩根大通（JP Morgan）最近发布的报告也指出，未来至少三年内韩美半导体仍将主导该细分市场。
韩美半导体对此也表现出十足的自信。公司会长郭东元在韩华SemiTech传出与SK海力士签订供货合同后，曾公开表示：“后发厂商的技术虽有一定水准，但韩华SemiTech最终可能也仅拿到少量订单，结果无疾而终。”
韩国内战
韩美半导体社长提到的韩华SemiTech又是何方神圣呢？
同为韩国企业的韩华SemiTech原名“韩华精密机械”，在去年完成更名，正式确立了其作为半导体专用设备厂商的市场定位。而早在2020年，韩华SemiTech就已启动HBM用TCB键合机的研发，并成功与SK海力士签订了供货合同。
韩华SemiTech受到高度关注的原因，在于其背后有韩华集团的强力支撑。集团会长金升渊的三子——金东善副社长目前负责集团未来战略，其曾公开表示将继续在该领域投资，以强化韩华SemiTech的竞争力。
尽管市场普遍预计韩美半导体的领先地位至少能维持三年，但韩华SemiTech如何搅动市场格局成为了焦点。
为提升HBM产能，SK海力士正尝试多元化TCB键合机供应商，并已在今年两次向韩华SemiTech下单，总金额约达420亿韩元，共12台TC键合机。而长期为SK海力士供货的韩美半导体对此表示强烈不满，原因是SemiTech是其存在技术泄露和专利侵权争议的竞争对手。
半导体业内人士指出：“最具争议的是，韩华SemiTech的TC键合机价格被定在高于韩美半导体原有设备的水平。对于一直与SK海力士保持紧密同盟关系的韩美半导体而言，这是难以接受的。”因此，韩美半导体采取了报复性措施，将此前对SK海力士提供的客户服务（CS）从免费转为收费，并通知其将设备供货价格上调28%。
SK海力士方面则回应称，设备价格是根据与供应商的协商决定的，并无给予韩华Semitec“无理由溢价”的情况。一位熟悉SK海力士的业内人士表示：“TCB键合机的合同根据SK海力士所需的附加选项而有所不同，因此每家供应商的合同条款自然也有所区别。”
据悉，SK海力士给予韩华SemiTech设备高评价的原因，正是其在自动化系统和维护便利性方面的表现。韩华SemiTech方面表示：“此次供货的TCB键合机以‘减少人工操作’为目标，搭载了多种数字化解决方案与自动化系统，并采用了更适合工程师使用的软件。”他们补充道：“设备能够轻松支持8层、12层乃至16层堆叠，最大限度地反映了SK海力士工程师的需求。我们正集中全公司力量，力争扩大今年的供货量。
新加坡也要分一杯羹
对于TCB键合机这一市场而言，两家韩国设备厂商固然有不少看点，但位于新加坡的ASMPT同样实力不俗。
据韩媒报道，SK海力士在其最先进的HBM3E的技术开发中，很可能引入新加坡ASMPT的设备。由于HBM是通过堆叠多层DRAM芯片实现封装的，随着层数增加，其良率变得不稳定，据传ASMPT的设备在这一方面获得了SK海力士的高度评价。
韩国业界人士于今年2月透露，SK海力士已从ASMPT订购了TCB键合机，并正在HBM3E 16层产品等多款HBM产品线上进行测试。
据了解，SK海力士今年1月在美国拉斯维加斯举行的“CES 2025”上展示了使用ASMPT设备制造的HBM3E 16层产品，这一产品被认为是从HBM3E 12层向下一代HBM4（第六代HBM）过渡的中间版本，而韩国业内部分人士指出，去年ASMPT已有30多台设备部署到SK海力士的生产线中。
一位半导体行业人士表示：“由于HBM4与前几代产品不同，普遍为定制开发，因此部分客户更可能优先采用通用性更强的HBM3E。”他补充道：“随着如DeepSeek等低成本AI模型的兴起，对比价格昂贵的HBM4，HBM3E产品线可能会维持更长的硬件需求周期。”
随着HBM堆叠层数增加，制程难度也同步上升，绑定设备的重要性随之提升。例如在HBM3E 12层中，由于芯片Die变得更薄，为防止弯曲，需要在键合过程中施加轻微热量使其略为粘合，再进行回流焊接，SK海力士将此工艺称为hMR（heated Mass Reflow）。
一位熟悉SK海力士的知情人士表示：“在HBM3E 16层的工艺模拟过程中，发现随着堆叠层数增加，ASMPT设备的性能超过韩美半导体设备。”他补充说：“CES 2025上公开的HBM3E 16层产品采用ASMPT设备，这一事实显然与其设备表现优异密切相关。”
值得一提的是，无助焊剂键合技术作为TCB的上位替代，最早应用于其他半导体封装场景，但近年来随着HBM需求激增，逐渐成为内存制造领域的关键创新方向，目前有两家新加坡公司在这一方面均有所布局。
除了前文中提到的ASMPT外，同在新加坡的K&S（库力索法 Kulicke & Soffa）也加入了这场新的竞争之中，其在半导体领域长期专注于传统封装方式，如金线键合（Wire Bonding），但近年来开始大力拓展先进封装技术市场。
这两家设备厂在无助焊剂键合上采用了不同的方案，K&S采用化学方法（甲酸）去除晶圆表面的氧化层，而ASMPT（以及其他键合设备厂商）则采用物理方法（等离子清洗）。
据了解，K&S 推出的甲酸法优点是可以在热压键合的同时去除氧化层，避免焊球表面再次氧化的风险（见下图）。缺点是化学制程会留下残留物（如上图化学反应式所示），键合后需要额外的清洗站来保证良率（凸块间距越小，残留物越难彻底清洗），导致机台产能下降。
而ASMPT的等离子方法产量较高，不需要额外的清洗站。不过，氧化层的去除和热压接合不能同时进行。在这种方法中，物理离子轰击焊球表面，先去除氧化层，然后再进行热压接合，两个步骤之间有再次氧化的风险，此外，不同的芯片需要调整不同的等离子配方，使工艺更加复杂。
新加坡半导体设备企业正在通过押注无助焊剂键合技术，开始确立自己在HBM设备市场中的地位。
被忽略的三星
前文中只提到了SK海力士和美光，那么三大HBM巨头之一的三星在TCB键合机上又是如何抉择的呢？
据了解，此前三星电子一直从其半导体设备子公司SEMES和日本新川采购用于NCF工艺的TCB键合机，尽管三星与新川之间一直保持着紧密合作，但最近其供应结构已经转向以SEMES为中心的格局。
业内分析指出，新川设备的性能近年来已不及竞争对手产品，加之三星正通过SEMES推进TCB键合机的自研内化，强化其盈利能力。在SEMES设备技术水平提升的背景下，三星转而使用自家设备而非新川产品，此外，这也意味着SK海力士和美光所采用的韩美半导体设备未来被三星引入的可能性也变得更低。
一位半导体行业相关人士透露：“三星电子已不再使用新川设备。过去三星在HBM堆叠的最初阶段——4层工艺中使用新川的TCB键合机，但目前连这一部分也逐渐由SEMES全权负责。”
三星电子与美光目前所采用的TC-NCF方式，是在芯片之间夹入绝缘薄膜，再通过热压使薄膜熔化并实现粘接。这种工艺虽然结构简单、便于厚度控制，但在散热性能方面存在劣势。新川曾长期向这两家公司提供该类设备。
随着HBM从4层 → 8层 → 12层 → 16层不断演进，堆叠层数的增加也对TCB键合机提出了更高要求，4层HBM产品已问世超过10年，目前属于老旧产品，而用于该工艺的新川设备也被认为是相对低规格的设备。
随着堆叠层数上升至8层，对设备技术提出更高要求，三星已将新川设备逐步替换为SEMES设备。据分析，即使在4层产品上，实际也已转由SEMES主导，另据悉，三星目前仍将HBM2E（4层）产品供应给华为以及部分中国GPU厂商。
上述人士还指出：“新川的TCB键合机仅由一个电机驱动两个焊头，技术水平相对较低。对三星来说，已不再有维持‘双重供应商’策略的必要。”他还补充道：“从新川财报中也未发现来自三星的销售数据，这被业内普遍视作两家公司事实上已经分手。”
这也意味着，继失去美光之后，新川可能会失去在三星的核心设备供应商地位。
与此同时，SEMES的业绩有望随之改善。此前由于三星对TCB键合机的订单减少，SEMES一度经营承压。2023年，SEMES的销售额为24450亿韩元，较前一年（25155亿韩元）下降2.8%，但同期营业利润从667亿韩元大幅增长至1212亿韩元，年增幅高达81.7%。这主要得益于其显示器设备业务的大幅增长，而非主力半导体设备。
按销售和订单结构来看，SEMES的半导体设备销售额从2022年的15515亿韩元降至2023年的12599亿韩元，减少18.79%；而显示设备销售额则从136亿韩元暴增至1507亿韩元，增长逾1000%。此前一度考虑撤出的显示业务，在获得三星显示的大额订单后，弥补了半导体设备订单的空缺。若SEMES成为三星TCB键合机的独家供应商，其半导体设备营收占比有望再次上升。
另一方面，曾被传将与三星合作的韩美半导体，向三星供应TCB键合机的可能性也进一步降低。业内传言称，韩美半导体已被排除在三星的TCB键合机供应名单之外。由于韩美曾与SEMES发生专利诉讼，若两家公司同时向三星供货，可能会因技术泄露风险导致合作顾虑。因此，韩美半导体预计将继续聚焦于向美光与SK海力士供货。
国内被断供？
不难看出，近两年HBM专用的TCB键合机市场发生了非常大的变化，由过去新川和东丽等日系厂商为主导转向以韩美和韩华等韩系厂商为主导，考虑到目前HBM市场中SK海力士一家独大的情况，未来TCB键合机市场的走向很大程度上就取决于这一家厂商的选择。
而这种韩系一家独大的情况也带来了一些问题。
近日行业传言称，韩国政府计划限制HBM设备的出口，特别是关键的TCB键合机。据悉，韩国政府已要求本土主要的TCB键合机制造商，暂停向特定国家和地区的客户交付设备，同时收紧对相关技术出口的审批流程。
对于国内而言，目前已有多家半导体设备公司正在全力攻坚高端封装设备，其中一部分厂商已在TCB设备领域取得初步突破：
虽然部分国内企业在贴装、加热、对准等子系统已具备技术储备，但整机集成能力、热压头模块、压力控制系统、高精度机械臂等关键技术仍有待突破。尤其是“大设备系统整合+客户产线验证”环节，是国产设备厂商短期面临的最大挑战。
韩国半导体设备，崛起
值得关注的是，不只是TCB键合机这一类产品，韩国半导体设备厂商正在藉由HBM的热销悄然崛起。
据TheElec对2024年第四季度韩国46家半导体设备企业的业绩分析，营业利润率最高的六家公司分别是：韩美半导体、Techwing、Zeus、Juseong Engineering、DIT与Oros Technology这六强中有四家聚焦于后处理设备，深受HBM与先进封装热潮带动。
作为排名第一的企业，韩美半导体2024年销售额达5589亿韩元，营业利润高达2554亿韩元，年利润增长六倍，营业利润率达46%。该公司长期以来向SK海力士独家供应HBM用TC键合机，构建起强势的技术壁垒。
紧随其后的是Techwing，2023年实现销售额1855亿韩元、营业利润234亿韩元，其中约45%营收来自美光。核心产品为内存测试处理机，公司近期更因其全新HBM测试设备“Cube Prober”而成为业界焦点。
传统上，HBM芯片在出货前并不进行最终测试，存在较大风险。英伟达近期改变策略，计划引入最终检查流程以提升产品可靠性和成本控制，这也让Techwing的Cube Prober成为唯一入选的新一代测试设备。当前，该设备已向三星出货，并正在SK海力士进行质量验证，未来潜力被普遍看好。
位列第三的Zeus专注HBM TSV（硅通孔）清洗设备，2024年营收达4908亿韩元，营业利润492亿韩元，利润增长率接近600%。其后段处理设备“Atom”与“Saturn”已被业界广泛采用，并凭借快速交付能力成功打入HBM产业链。
此外，Zeus正在联合美国Pulseforge开发基于光子技术的剥离设备，并于Semicon Korea展会上首度公开新一代TBDB设备，展示其持续创新能力。
第四名的Juseong Engineering则是一家ALD（原子层沉积）设备制造商，2024年营收为4094亿韩元，营业利润显著增长250%以上，其中高达85%（3464亿韩元）来自中国市场。
公司多年深耕中国市场，与多家中资客户建立合作。然而，美国针对中国半导体产业的出口管制政策使其面临不确定性。尽管如此，由于Juseong提供的是相对高技术含量的设备，中国客户短期内难以替代，使其仍具稳定的市场份额。
第五名的DIT以激光解决方案见长，2024年营收1167亿韩元，营业利润241亿韩元，其中激光退火设备占59%。该公司与SK海力士自2019年开始联合开发HBM用激光退火技术，并于2023年下半年起正式导入HBM3E量产线，成为其核心工艺之一。
激光退火技术的突破不仅验证了DIT的研发能力，也打开了HBM先进制程的大门。
排名第六的Oros Technology去年营收为614亿韩元，营业利润61亿韩元。虽然体量相对较小，但其焊盘覆盖设备在HBM后段制程中具备不可替代性，目前由其独家供应。去年中，该公司成功进入日本铠侠的供应链，并签下与三星电子价值96亿韩元的合同，客户结构逐步多元化。
由于日本半导体设备自给率高、外部准入门槛高，因此Oros能打入Kioxia供应链被视为技术突破的象征。
六家韩国半导体设备企业中，除Juseong Engineering外，均与HBM后处理及先进封装紧密相关，在韩美半导体之外，Techwing、Zeus等企业凭借独门产品和工艺快速突围，这也显示出了韩国设备产业由单一强者向多元格局转变的趋势。
写在最后
在HBM领域里，韩系厂商尤其是韩美半导体依旧具备无可争议的统治力。
据报道，韩美半导体在5月14日宣布，将推出用于HBM4生产的专用设备“TC Bonder 4”，这是一款针对HBM4特性大幅提升了精度与生产效率的高性能键合设备。韩美半导体会长表示：“新推出的‘TC Bonder 4’是专为HBM4开发的设备，即使在要求极高精度的16层以上堆叠工艺中，也能实现高生产效率和高品质。”
这也是首个针对HBM4推出TCB键合机的设备厂商，尽管SK海力士开始转向多供应商的模式，但在高层数堆叠上，恐怕依旧离不开韩美半导体。
包括韩美在内的设备厂商，正是韩国能在HBM设备上卡脖子的底气所在，不过从长期来看，韩国若执意限制出口，反而会倒逼国内HBM生态链加速建立，涵盖TCB设备、COWOS封装、HBM堆叠、芯粒设计、EDA协同等一整套本土化路径。
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