文 观察者网心智观察所

仲春时节，惊蛰待发，半导体行业响起了一声“春雷”。

韩国媒体有报道，三星电子近日与中国存储芯片厂商长江存储签订了专利许可协议，三星电子将从长江存储那里获得 3D NAND“混合键合”专利。

从全球存储行业的竞争格局方面来看，长江存储作为中国半导体以及存储赛道的龙头企业。在与海外三大家三星、海力士、美光等进行比较时，它依然只能被视为后起之秀。

这一次长江存储对三星的 3D NAND“混合键合”专利进行了授权。就好像新生的藤蔓在努力地攀爬着苍劲的古松。它以更加鲜活的姿态，逐渐地去触摸到先进封装那颗如同皇冠上的明珠一般的存在。

三维集成电路的层峦叠嶂构成了存储世界的通天塔，后来者手持光刻之刃，将技术壁垒的坚冰劈开。在三星与美光所构筑的 128 层晶体圣殿的顶端，中国军团凭借 Xtacking 架构这把密钥，把存储单元与逻辑电路的量子纠缠在微观世界中演绎成了协奏曲，在先进工艺节点中重新构建了存储密度的星辰大海。

混合键合，先进封装绝对的战略高地

这一次长江存储与三星展开合作，其中的关键词是混合键合（Hybrid Bonding），将其称作先进封装的绝对战略高地是完全合理的。

混合键合主要有两种使用方式。其一为晶圆到晶圆（wafer to wafer），此方式主要被用于 CIS 和 NAND。铜混合键合在 2016 年首次出现。当时索尼把这项技术运用在了 CMOS 图像传感器上。还有一种是裸片到晶圆混合键合（die to wafer）。这种方式比晶圆间键合更困难。然而，这种工艺变化对逻辑和高带宽存储 HBM 很有意义。

这一次的技术授权主要涉及的是晶圆到晶圆的 3D NAND 技术。 此次技术授权主要针对的是晶圆到晶圆的 3D NAND 这一方面。 这一次的技术授权重点在于晶圆到晶圆的 3D NAND 。 本次技术授权主要是晶圆到晶圆的 3D NAND 相关内容。 这一次的技术授权主要围绕着晶圆到晶圆的 3D NAND 展开。 此次技术授权主要与晶圆到晶圆的 3D NAND 有关。 这一次的技术授权主要聚焦于晶圆到晶圆的 3D NAND 。

混合键合为何一定要完成从可能性到现实性的跨越？

传统倒装焊受限于焊球的尺寸，其尺寸为微米级，同时也受限于焊球的间距。这种限制使得 I/O 密度的提升遭遇了物理天花板。而混合键合能够通过铜与铜的直接键合以及介电层的融合，将互连间距压缩到亚微米级，甚至能够突破 1μm。这样一来，单位面积的互连密度能够提升 10 倍以上。这种“分子级焊接”让 Chiplet 之间的信号传输路径缩短到了微米量级，将多芯片模块的性能边界进行了彻底改写。

混合键合相比传统凸块，极大地增强了单位面积互连密度

比如说，这就好像把城市之间的高速公路提升为纳米尺度的神经元突触网络。

2.5D 或 3D 先进封装通常需要进行 TSV 打孔操作，以实现存储层与逻辑层的连接。同时，封装基板和中介层（或重新布线层 RDL）会产生各种应力和散热问题，这使得封装的整体可靠性降低了不少。

在 AI 算力需求爆炸性增长的背景之下，业界正在思考一个可能性方向，那就是怎样能够进一步提升芯片间的互连能效比，减少层间的物理连接，让芯片设计变得更紧凑，同时也有利于实现更高的性能和传输密度呢？

换句话说，能否把逻辑芯片与存储单元的 3D 堆叠从像“楼层式公寓”那样的结构升级为像“细胞级共生”那样的结构呢？

混合键合技术应运而生，应势而起。

想象在纳米尺度的曼哈顿，HBM 芯片就像是一座由记忆晶体构建而成的垂直都市。传统的 TSV 工艺就如同在楼板之间浇筑钢筋骨架一样，虽然能够支撑起 128 层的记忆帝国，但是却让芯片的厚度变成了束缚天际线的沉重枷锁。

混合键合技术这道量子胶体渗入了建筑师的蓝图，微观世界的建造法则被就此颠覆。就好像把钢构大厦转变为自生长的水晶丛林一样，每层存储器不再需要那种笨重的金属立柱，仅仅凭借原子级的电磁亲和力就能够实现层间的量子隧穿。

这项封装魔法能够把芯片剖面削得很薄，薄到达到光子跃迁的尺度。这样一来，存储巨塔既能保持在云端的高度，又能让底座变得像蝉翼一样轻盈。这已经超出了物理键合的范畴，实际上是让电子在三维迷宫中跳起了一种类似贴合华尔兹的微雕艺术。

还有一点，若要达成芯片的“制程民主化”，混合键合技术几乎是一条必然要走的路。制程进入 3nm 之后，单颗大芯片的良率会陡然下降，同时光罩成本会快速上升，这两者形成了双重的压制。而混合键合能够把超大芯片分解为多个处于成熟制程的芯粒，通过异构集成来达到等效的系统性能。这种“乐高式拼装”规避了先进制程的高昂成本。它还开创了“制程民主化”的新时代。在这个新时代里，模拟、射频、存储等模块能够灵活地选择最优工艺节点。

长江存储的技术储备

这一次技术专利授权，涉及到长江存储的前瞻性布局。

多年来，业界对长江存储在 3D NAND 的层数方面广泛关注，将这个层数当作一种赶超指标，直接与海外大厂对标。例如，该海外大厂在 2022 年实现了 128 层 3D NAND 的量产，并且还在快速推进 232 层产品的研发。这一具有标志性的节点表明，长江存储的堆叠技术达到了国际第一梯队的水平。

以此为背景，长江存储的 Xtacking 3.0 混合键合技术储备更值得挖掘。全球首创的 Xtacking 技术将存储单元与外露电路分离制造，还引入了铜 - 铜直接键合。这种“双晶圆异构集成”模式突破了传统 NAND 架构的物理限制，在 I/O 速度方面取得了重大突破，在晶圆面积利用率方面也取得了重大突破，同时还缩短了研发周期。

更值得一提的是，长江存储在专利布局方面经验丰富，这是迫使三星就范的关键因素。该厂的多层堆栈刻蚀解决了高层数堆叠中孔洞均匀性的难题，并且与混合键合技术一同构成了深厚的专利护城河。2023 年时，全球公开的专利申请数量超过了 8000 件。在这些专利申请中，3D NAND 相关的专利占比超过了 60%。同时，它还开辟了标准制定的第二战线，加入了 JEDEC、ONFI 等国际标准组织，促使 Xtacking 接口协议成为行业的可选方案。

长江存储与西部数据、铠侠等建立了专利池，以此降低了国际化市场的准入风险。同时，长江存储的关键专利使得三星、美光无法绕开。例如在 2023 年，长江存储起诉美光侵犯其 3D NAND 结构专利，实现了对国际巨头的反向制约。

求救长江存储，三星着急了

从技术布局时间来看，三星不算业界最领先的；从市场触角的深度来看，三星也不算业界最领先的。竞争对手 SK 海力士在 2024 年享受到了 HBM 红利，并且将三星甩在了身后一个身位，这让三星的存储和代工部门感受到了很大的压力。

在 2022 年 IEDM 会议上，这一年是晶体管诞生 75 周年。英特尔在此会议上展示了其采用的混合键合技术。英特尔计划将这一技术应用于其 3D 封装技术 Foveros Direct。虽然后面商业化落地存在诸多障碍。但英特尔的这一先声得到了 SK 海力士的实质性回应。

SK 海力士预计在 2025 年到 2026 年期间能实现其混合键合技术的商业化。韩国媒体消息表明，SK 海力士近期与台积电一同发起了名为“One Team Strategy”的联盟，这两家企业将一起研发第六代 HBM 芯片。

SK海力士和三星不但在争夺市场，还在争夺设备商的产能。

荷兰的 Besi 设备商目前在晶圆混合键合领域处于领先地位，它和英特尔、台积电建立了广泛合作。奥地利的 EV Group 目前在晶圆混合键合领域处于领先地位，它也和英特尔、台积电建立了广泛合作。

2023 年，Besi 曾表明它具备每年生产 180 台混合键合机的能力。抢夺混合键合机，就如同前道设备抢夺光刻机那般，是在一个单位时间内存量市场上的激烈搏杀。

三星电子与中国存储芯片厂商长江存储签署了这份专利许可协议，所以这份协议有其紧迫性和必要性。

结语 混合键合，未竟的伟业

全球能够熟练掌握 2.5D/3D 封装的企业数量极少。传统的通过硅通孔（TSV）+填充物的连接方式本身就已经较为困难，而混合键合更是难上加难。

笔者调研苏州某键合设备企业时，该企业总经理指出，混合键合延续了传统键合的“汤汤水水”问题，并且对设备的精确度稳定性以及器件材料有极高要求。混合键合还涉及多步骤工艺协同，像清洗、活化、对准、键合、退火等多个环节，其中任一环节出现波动都会影响良率。薄化晶圆或者进行多层堆叠时，应力会累积，这种累积可能会导致翘曲现象的出现。所以需要优化支撑结构，或者引入应力缓冲层。并且，很多领域在工程学方面目前仍处于探索阶段。

长江存储就混合键合的技术专利储备而言，已经打造出了一条防护的壁垒。

在纳米尺度构筑专利长城。混合键合的每一根铜柱，在原子森林中拔地而起，化作了集成电路世界的马奇诺防线。那些被电子束雕刻出的专利边界，并非冰冷的法律条文。它是将工艺秘方熔铸进青铜法典的文明图腾。当国际巨头试图用专利火把去照亮技术荒原时，国产厂商的混合键合专利矩阵早已在晶圆上生长出带刺的量子玫瑰。并且，每片花瓣都能反向穿透侵权壁垒，是拓扑绝缘体。

这护城河里流淌的并非水银，而是由自对准通孔编织而成的纳米级蒺藜。在看似平静的键合界面之下，埋藏着千万个专利地雷。那些经过电子显微镜检视的键合角度、热膨胀系数以及界面钝化配方，正以专利族的形式在 PCT 条约的疆域上投射出六边形的防御蜂巢。即使摩尔定律的力量如同洪水般漫过了物理的堤坝，然而这座由专利铆钉精心加固的城邦，依然能够在半导体的版图之上撑起一片犹如技术治外法权般的孤岛。

未雨绸缪的人不会在暴雨降临的时候才去锻造盾牌。他们在光刻机的紫光中就已经预见到了十年后的法律纷争。此刻每一项混合键合专利的授权，就像是向未来战场空投的智能武器。当国际专利战的沙尘暴掠过由 EDA 工具构建的虚拟战场时，这些提前注册的工艺坐标，将会成为穿透对方专利领空的洲际坐标。在硅基文明的进化历程中，真正的技术主权始终被镌刻在专利地堡最深处的不锈钢掩体之中。

来源|心智观察所