HBM与Chiplet进入高密度堆叠时代：混合键合设备中的压电机会
——当芯片开始纵向连接，封装设备必须在几十纳米范围内完成对准
AI芯片的性能提升，已经不能只依靠晶体管继续缩小。GPU、CPU、I/O芯片、HBM以及光子芯片，正在通过Chiplet、2.5D封装和3D堆叠组合成更复杂的计算系统。芯片之间的距离越来越短，互连数量越来越多，先进封装也从过去的后段辅助工艺，逐渐变成决定带宽、功耗和系统性能的核心环节。
其中，一个正在加速进入产业化阶段的技术，就是铜—铜混合键合。
传统微凸点依然是当前HBM和先进封装的重要互连方式，但当互连间距继续缩小，焊料凸点占用面积、寄生参数、桥连风险和散热压力会越来越突出。混合键合取消传统焊料凸点，通过介质层完成机械结合，同时让上下两层铜焊盘直接形成电气连接，为更高密度的3D集成提供了新的工艺路线。
芯片堆叠的竞争，正在从“能不能连接”，进入“能不能在几十纳米内准确连接”。
一、先进封装正在把互连间距推向10微米以下
SEMI援引Yole数据预计，全球先进封装收入将从2024年的461亿美元增长至2030年的794亿美元。AI和高性能计算是这轮增长的重要推动力，而随着互连密度提高，产业正在向10微米以下的间距发展，并逐步从传统焊料互连转向铜—铜混合键合。SEMI
传统微凸点依靠焊料连接上下两层芯片，工艺成熟、产能基础完善，因此不会立即退出市场。但当凸点间距持续缩小时，焊料体积也必须同步缩小，制造过程中更容易受到共面度、桥连、空洞和热机械应力影响。
混合键合的结构发生了根本变化：
介质层负责机械连接，铜焊盘负责电气互连。
由于不再依赖大尺寸焊料凸点，芯片之间可以布置更多I/O连接，互连路径也能够进一步缩短。不过，优势的另一面是工艺难度明显提高。上下两层铜焊盘一旦发生横向偏差、旋转偏差或局部倾斜，就可能造成部分焊盘无法有效接触。
因此，混合键合不是简单地“把两片晶圆压在一起”，而是把清洗、表面活化、视觉识别、精密对准、间隙控制、预键合和质量检测整合进同一套设备。
二、设备真正困难的不是找到晶圆，而是接触时仍然保持对准
混合键合设备通常需要处理200毫米或300毫米晶圆。设备首先通过机械手完成晶圆传输，再利用视觉系统识别对准标记，由运动平台调整晶圆的X、Y和旋转方向。完成平面对准后，还要继续修正Z轴间隙、晶圆平行度以及局部翘曲。
国际设备厂商EV Group公开的GEMINI FB系统，面向存储堆叠、3D SoC和图像传感器等应用，其晶圆对晶圆对准精度已经进入50纳米以下。该设备还集成清洗、等离子体活化、对准验证等模块，说明量产设备不仅要追求静态精度，还必须兼顾工艺连续性和生产吞吐量。EV Group
但晶圆不是绝对平整的。薄膜应力、温度变化、吸盘装夹和晶圆自身翘曲，都会改变两片晶圆之间的相对姿态。平台在移动、减速和接触过程中产生的微小振动，也可能让已经完成的对准再次发生偏移。
这就形成了混合键合设备最核心的矛盾：
既要长行程、高效率地搬运晶圆，又要在最终接触前完成纳米级误差修正。
仅依靠一套长行程电机机构，很难同时兼顾行程、速度、载荷和纳米级动态精度。因此，高端设备通常需要把运动控制分成两个层级：电机或气浮平台负责大范围移动，精定位机构负责最后一段误差补偿。
三、压电驱动器不是负责“搬运”，而是负责最后一级精调
在混合键合设备中，压电驱动器最适合进入的并不是晶圆长距离搬运环节。直线电机、伺服电机和气浮平台更适合完成大行程运动，压电的价值则体现在微小范围内的高速修正。
可以把二者的分工概括为：
电机负责走到目标附近，压电负责把剩余误差压缩到纳米尺度。
从运动控制结构来看，压电驱动器可以重点进入以下四个位置。
1. XY与旋转方向精对准
视觉系统完成标记识别后，平台仍可能存在微小的横向偏差和角度误差。多轴压电精定位平台可以在短行程范围内修正X、Y和θ方向，使上下两层铜焊盘进一步重合。
2. Z轴间隙与接触过程控制
两片晶圆接近时，设备不仅要控制位置，还要控制接触顺序和接触速度。Z轴压电机构能够对微小高度变化进行快速调整，降低局部提前接触造成滑移或颗粒扩散的风险。
3. Tip/Tilt平行度补偿
如果上下晶圆存在微小倾角，即使中心区域已经对准，边缘区域仍可能产生明显间隙。通过多点压电驱动或Z/Tip/Tilt平台，可以修正晶圆之间的平行度，使接触条件更加均匀。
4. 键合头微位移与微力调节
在芯片对晶圆键合设备中，键合头需要完成拾取、对准、接近和加载。压电执行器可用于短行程微位移调节，并与力传感器配合控制接触状态。
需要强调的是，商业设备通常不会公开全部内部执行器配置，因此不能简单断言所有混合键合机都使用压电。但从“长行程粗定位＋短行程精定位”的技术分工看，压电在XYθ误差修正、Z轴间隙控制和平行度补偿方面具有明确的适配价值。
PI公开技术资料显示，压电执行器能够提供亚纳米级位置变化和较短响应时间；柔性铰链则可避免滚动、滑动摩擦，并为多轴精定位提供高刚度导向。这正对应混合键合设备对短行程、高动态和无传动间隙运动的需求。Physik Instrumente
四、真正进入设备，需要解决的不只是位移指标
压电驱动器具备高分辨率，并不意味着把一只压电叠层安装到设备上，就能直接获得纳米级对准精度。
压电陶瓷在开环工作时会受到迟滞、蠕变和温度变化影响。驱动电压相同，实际位移也可能因为载荷、安装结构和运行时间不同而发生变化。因此，量产设备通常需要配置电容式传感器、应变传感器或其他位置反馈系统，通过闭环控制实时修正误差。Pi USA
与此同时，压电执行器不能承受不合理的拉伸和剪切载荷。工程设计还要处理预紧结构、侧向力隔离、柔性导向、热管理和机械安装精度，否则陶瓷本身的性能无法稳定传递到键合平台。
决定整套机构性能的，不只是压电陶瓷的标称位移，而是以下指标能否同时满足：
- 行程是否覆盖设备剩余误差；
- 推力和刚度能否承受晶圆及机构载荷；
- 闭环带宽能否跟上设备运动节拍；
- 稳定时间能否满足量产吞吐量；
- 长期循环后，重复定位精度是否仍然稳定。
这也是压电元件和压电精密运动模块之间最重要的区别。客户真正采购的并不是“几十微米位移”，而是设备在连续生产中能够获得的精度、速度和可靠性。
五、市场变化已经开始反映在设备企业的订单上
先进封装市场的增长，已经不只是产业预测，也开始体现在设备公司的实际订单中。
Besi披露，2025年第四季度订单达到2.504亿欧元，环比增长43.3%，同比增长105.4%。公司明确表示，订单增长来自亚洲封测厂对2.5D数据中心应用的需求、光子应用产能投资恢复，以及混合键合订单显著增加；2025年全年订单达到6.85亿欧元，同比增长16.8%。Besi
这组数据说明，混合键合已经不再停留在实验室验证阶段。AI数据中心、2.5D封装、光子器件和下一代3D集成，正在推动封装设备厂商增加对高精度键合能力的投入。
国内企业的产品路线也在调整。拓荆科技原有核心业务以PECVD、ALD等薄膜沉积设备为主，随后将产品范围扩展到三维集成设备，布局晶圆对晶圆混合键合及相关工艺设备。上交所披露的信息显示，其用于3D存储芯片制造的晶圆对晶圆混合键合设备，已经批量送抵先进存储和逻辑芯片客户产线。上海电力有限公司
这条产品迁移路线非常清晰：
薄膜沉积设备
↓
三维集成与键合设备
↓
面向存储、逻辑芯片和先进封装产线
它反映的不是企业简单增加一款产品，而是国产半导体设备正在从单点工艺突破，逐渐向多产品线和平台化设备能力扩展。2024年，科创板半导体设备企业合计出货量已超过1.6万台；2025年上半年，相关企业平均研发投入强度达到16.3%，说明国内设备企业仍处在高投入、加速验证和扩充产品矩阵的阶段。上海电力有限公司
六、压电机会最终取决于能否进入设备模块
混合键合设备对压电行业最大的意义，并不是突然产生大量标准化压电陶瓷需求，而是打开了一类技术门槛更高的设备配套市场。
设备厂商不会只评估执行器的最大位移，还会同时考察载荷、刚度、温漂、真空或洁净环境适应性、闭环精度、控制响应以及长期寿命。对于压电企业而言，产品形态也需要从单一叠层执行器，向预紧执行器、多轴柔性平台、传感器和驱动控制模块延伸。
未来更有价值的竞争能力可能包括：
压电陶瓷的一致性制造能力；
针对载荷和行程设计预紧结构的能力；
柔性铰链与多轴运动解耦能力；
传感器、驱动电源和闭环算法的协同能力；
进入半导体设备客户产线并完成长期验证的能力。
混合键合并不会让压电取代电机。相反，它会让电机与压电的分工更加明确：前者解决大行程和高效率，后者解决最终精度和动态补偿。
结语
HBM、Chiplet和3D集成带来的，不只是芯片结构变化，也在重新定义封装设备的精度边界。当互连间距进入10微米以下、晶圆对准进入几十纳米尺度时，设备竞争开始从机械装配延伸到精密运动、传感反馈和控制算法。
压电驱动器真正的机会，不是“比电机移动得更远”，而是在电机停止之后，继续把误差向纳米尺度压缩。
对于压电企业而言，进入混合键合设备供应链的关键，也不会只是提供一个性能参数漂亮的元件，而是形成能够长期承受设备载荷、保持闭环稳定并适配量产节拍的精密运动模块。
我目前也在持续关注压电驱动器在混合键合、晶圆检测、光学对焦以及半导体纳米定位中的应用。如果你正在研究相关设备、执行机构或国产替代方案，欢迎交流具体工况。