3D IC技術(shù)蓄勢待發(fā) 量產(chǎn)化仍需時(shí)間

　　IC/SoC業(yè)者與封測業(yè)者合作，從系統(tǒng)級封裝(System In Package;SIP)邁向成熟階段的2.5D IC過渡性技術(shù)，以及尚待克服量產(chǎn)技術(shù)門檻的3D IC立體疊合技術(shù);藉矽穿孔(TSV)、中介板(Interposer)等關(guān)鍵技術(shù)/封裝零組件的協(xié)助下，在有限面積內(nèi)進(jìn)行最大程度的晶片疊加與整合，進(jìn)一步縮減SoC晶片面積/封裝體積并提升晶片溝通效率。

　　摩爾定律漸趨瓶頸 IC封裝朝立體天際線發(fā)展

　　過去40年來，摩爾定律(Moore’s Law)「每18個(gè)月電晶體數(shù)量/效能增加一倍，同時(shí)成本維持不變」的準(zhǔn)則，使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速走向規(guī)模經(jīng)濟(jì)與蓬勃發(fā)展，創(chuàng)造出許多資通訊產(chǎn)品(PC/DT/NB/SmartPhone/Tablet)，從外型、樣貌到應(yīng)用的改變。但除了借助能縮減線路寬度、間距但成本高昂的先進(jìn)奈米制程技術(shù)之外，IC設(shè)計(jì)業(yè)者、晶圓廠與封裝業(yè)者也積極開發(fā)各種封裝技術(shù)，在不縮減線距的奈米制程技術(shù)之下，在有限面積內(nèi)進(jìn)行最大程度的晶片疊加與整合，同時(shí)縮減SoC晶片封裝體積與線路傳導(dǎo)長度，進(jìn)而提升晶片傳輸效率。

　　TSV矽穿孔技術(shù)打通3D矽晶堆疊天地線。YOLE/ST

　　TSV矽穿孔與Interposer中介板用于裸晶對裸晶、裸晶對中介板、中介板與PCB板的連接。YOLE

　　從過去DIP、QFP、LCC、PGA、TSOP、WB BGA封裝，2000年起從朝向原始晶片尺寸化的封裝，如低價(jià)QFN、WL CSP(Wafer Level Chip Scale Package)、FC BGA/CSP、SIP，到2010年以后更進(jìn)一步朝向模組密集化、裸晶密集化，甚至3D立體化堆疊的技術(shù)，如2.5D Interposer、3D WLP、PoP(Package on Package)/PiP(Package in Package)以及3D IC技術(shù)等。

　　TSV矽穿孔技術(shù)

　　TSV(Through Silicon Vias)矽穿孔技術(shù)是一種運(yùn)用化學(xué)蝕刻或鐳射光穿透矽晶片的互連技術(shù)，取代過去基板與裸晶的打金線結(jié)合(Wire Bonding)的方式，它也是目前2.5D IC與3D IC中穿針引線的關(guān)鍵技術(shù)。其制程可分為先鉆孔(Via first)、結(jié)合Via-middle與后鉆孔(Via last)三種方式，在矽晶圓鉆出小洞后再以銅、多晶矽、鎢等導(dǎo)電物質(zhì)填滿，達(dá)成矽晶對矽晶、矽晶對中介層(interposer)線路連接導(dǎo)通的功能，最后將矽晶圓薄化再加以堆疊。

　　就目前發(fā)展藍(lán)圖，預(yù)估到2015年，全域WTW(Wafer to Wafer)、DTD(Die to Die)與DTD 3D推疊等TSV技術(shù)，可作到最小孔徑2~4μm，穿鑿層數(shù)2~4層，穿鑿深度20~50μm;中階層WTW/DTD/DTD 3D部份更可做到最小孔徑0.8~1.5μm，穿鑿層數(shù)8~16層(DRAM)，穿鑿深度6~10μm。

　　到目前為止，運(yùn)用到TSV矽穿孔技術(shù)的晶片/應(yīng)用產(chǎn)品，有結(jié)合光學(xué)鏡頭與CMOS影像處理晶片的影像感測器(CMOS Image Sensor;CIS)、整合微機(jī)電技術(shù)(MEMS)的感測器晶片，以及前述NAND、DRAM等晶片產(chǎn)品。未來將進(jìn)一步應(yīng)用到功率放大器(PA)、異質(zhì)性整合3D IC晶片(Heterogeneous 3D IC)、LED磊晶整合照明晶片，以及光電轉(zhuǎn)換/收發(fā)晶片等應(yīng)用。據(jù)Yole研究報(bào)告指出，使用TSV封裝的3DIC晶片或3D-WLCSP元件平臺，其產(chǎn)值將從2011年27億美元快速成長到2017年的400億美元。

　　中介板(Interposer)

　　目前FC-BGA使用的封裝底板，是微米制程時(shí)代(μm)的連通標(biāo)準(zhǔn)，上層為40~250μm的C4 Bump連接凸塊，下層BGA錫球直徑為0.4~0.8mm。當(dāng)進(jìn)入奈米制程時(shí)代(nm)，尤其是線路寬度微縮至12~28nm時(shí)，為了縮減晶片面積/封裝體積，裸晶以原晶片尺寸(Chip Scale)方式加以薄型化，底下僅留5~45μm的微凸塊(Microbumps);往下連接到一個(gè)由耐熱薄型玻璃或矽基材質(zhì)制造的中介板(interposer)，再往下連接到40~250μm的C4 Bump凸塊。

　　這種加入中介板的四層連接材料的設(shè)計(jì)，使得裸晶面積大幅縮小，提升CMOS制程的晶圓良率，裸晶的對外拉線訊號密度可以提升10倍，晶片效能、功耗與封裝成本得以改善。因此也廣為跨入28nm制程以下3D IC、2.5D IC堆疊技術(shù)所采用。當(dāng)接下來的異質(zhì)性整合3D IC(Heterogeneous)時(shí)，不同功耗/散熱屬性的各種裸晶之間，也可能透過中介板來相互連接，加以區(qū)隔各種工作溫度同時(shí)維持整體運(yùn)作的穩(wěn)定性。

　　3D IC技術(shù)蓄勢待發(fā)

　　臺積電(TSMC)曾在SEMATECH 2011論壇中，提出人類大腦與當(dāng)前密集度最高的機(jī)體電路的比較。以NVIDIA GF100圖形處理器晶片為例，它是單純2D區(qū)塊化設(shè)計(jì)，30億個(gè)電晶體數(shù)量，功耗達(dá)200W(40nm制程)。推估人類大腦有1,000億個(gè)腦細(xì)胞單元，折算起來約1兆個(gè)電晶體，且腦神經(jīng)元網(wǎng)路顯然是3D立體堆疊連接，但大腦的功耗僅20W，如果期望未來的人工智慧晶片要能追上人類大腦，差不多運(yùn)算密集度要增加300倍，且功耗要縮減為1/10，推估至少得用到2nm制程，也就是從目前臺積電28nm制程算起再進(jìn)化7~8代制程(或18~20年)，未來平行化處理、低功耗綠色環(huán)保制程與3D IC矽晶疊合技術(shù)成為必然趨勢。

　　3D IC是將原裸晶尺寸的處理器晶片、可程式化邏輯閘(FPGA)晶片、記憶體晶片、射頻晶片(RF)或光電晶片，打薄之后直接疊合，并透過TSV鉆孔連接。就像一層樓的平房往上疊了好幾層成為大樓，從中架設(shè)電梯使每個(gè)樓層相互連通一樣。2006年4月韓國三星(Samsung)發(fā)表宣布將8個(gè)2Gb NAND矽晶圓堆疊，以TSV連接的快閃記憶體晶片，厚度僅560μm。2007年4月三星進(jìn)一步發(fā)表以4顆512Mb裸晶堆疊的DRAM，2010年量產(chǎn)8Gb DDR3，以及后續(xù)32Gb DDR3的計(jì)劃。

　　由于3D IC可改善記憶體、邏輯晶片甚至異質(zhì)性晶片的性能與可靠度，減低成本與縮小產(chǎn)品尺寸，根據(jù)TechNavio預(yù)測，預(yù)估2012至2016年全球3D IC市場的年復(fù)合成長率為19.7%，成長貢獻(xiàn)主要來自手機(jī)、平板電腦等行動(dòng)運(yùn)算裝置的記憶體需求。目前包含臺積電(TSMC)、日月光(ASE)、意法(ST)、三星(Samsung)、美光(Micron)、格羅方德(GlobalFooundries)、IBM、英特爾(Intel)等多家公司皆已陸續(xù)投入3D IC的研發(fā)與生產(chǎn)。

　　建立3D IC+TSV產(chǎn)業(yè)鏈與技術(shù)可量產(chǎn)化仍需時(shí)間

　　國際半導(dǎo)體協(xié)會(SEMATECH)持續(xù)進(jìn)行3D TSV計(jì)劃，邀集格羅方德(Global Foudries)、惠普(HP)、IBM、英特爾(Intel)、三星(Samsung)、高通(Qualcomm)、臺積電(TSMC)、聯(lián)電(UMC)、Hynix、Atotech、NEXX、FRMC、CNSE等業(yè)界/學(xué)界合作，建構(gòu)規(guī)格明確的3D產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。三星以率先導(dǎo)入同質(zhì)性3D IC堆疊的桌上型堆疊式Wide I/O DRAM晶片(10~150W, 64GB/s)，與筆記型Wide I/O DRAM晶片(2~20W, 12.8GB/s)。高通(Qualcomm)、博通(BroadComm)等IC設(shè)計(jì)業(yè)者也已導(dǎo)入3D TSV技術(shù)，來設(shè)計(jì)下一代更高密集度的IC。

　　日月光集團(tuán)(ASE)指出，3D IC仍面臨到像設(shè)計(jì)復(fù)雜、EDA工具欠缺、異質(zhì)矽電路整合、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、TSV電氣特性、系統(tǒng)驗(yàn)證、熱功率與靜電防護(hù)等挑戰(zhàn)。目前除了Si2、JEDEC、SEMI、Sematech、GSA等組織制定3D IC相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)范以外，ASE采用SEMI規(guī)范平臺的3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)，并與Design House、Foundry積極合作，完成Die to Die、Die to SiP疊合互連規(guī)范，以及3D堆疊與計(jì)量與封裝信賴度確認(rèn)，在Foundry、Memory house與封測廠之間，3D載板、夾具、握持程序，以及TSV晶圓、記憶體堆疊方式制定相關(guān)規(guī)范，參與既有業(yè)界解決方案如JEDEC JC-11 Wide I/O立體記憶晶片介面規(guī)范與3D QA與計(jì)量規(guī)范。

　　目前3D IC的整合應(yīng)用，仍屬于相同制程、同質(zhì)性晶片(Homogenuous)整合，像是都是DRAM、NAND Flash裸晶，或多核心微處理器。IEK預(yù)期今年(2013)起采同質(zhì)堆疊的DRAM、NAND Flash等3D IC可望開始進(jìn)入量產(chǎn)。至于要針對邏輯晶片(Logic)、記憶體晶片(DRAM)、射頻IC(RF)、功率放大器(PA)、光電轉(zhuǎn)換晶片等異質(zhì)性整合，則因?yàn)楣?、封裝材料系數(shù)等技術(shù)問題的限制尚待克服，異質(zhì)性整合的3D IC是否能在2014年結(jié)束前導(dǎo)入量產(chǎn)，仍有待觀察。