3D IC技術(shù)蓄勢(shì)待發(fā) 量產(chǎn)化仍需時(shí)間
[導(dǎo)讀]IC/SoC業(yè)者與封測(cè)業(yè)者合作，從系統(tǒng)級(jí)封裝(SystemInPackage；SIP)邁向成熟階段的2.5DIC過(guò)渡性技術(shù)，以及尚待克服量產(chǎn)技術(shù)門(mén)檻的3DIC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，
IC/SoC業(yè)者與封測(cè)業(yè)者合作，從系統(tǒng)級(jí)封裝(SystemInPackage；SIP)邁向成熟階段的2.5DIC過(guò)渡性技術(shù)，以及尚待克服量產(chǎn)技術(shù)門(mén)檻的3DIC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(guò)去40年來(lái)，摩爾定律(Moore’sLaw)「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(kāi)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(zhǎng)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(duì)裸晶、裸晶對(duì)中介板、中介板與PCB板的連接。YOLE
從過(guò)去DIP、QFP、LCC、PGA、TSOP、WBBGA封裝，2000年起從朝向原始晶片尺寸化的封裝，如低價(jià)QFN、WLCSP(WaferLevelChipScalePackage)、FCBGA/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2.5DInterposer、3DWLP、PoP(PackageonPackage)/PiP(PackageinPackage)以及3DIC技術(shù)等。
TSV矽穿孔技術(shù)
TSV(ThroughSiliconVias)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(guò)去基板與裸晶的打金線結(jié)合(WireBonding)的方式，它也是目前2.5DIC與3DIC中穿針引線的關(guān)鍵技術(shù)。其制程可分為先鉆孔(Viafirst)、結(jié)合Via-middle與后鉆孔(Vialast)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(mǎn)，達(dá)成矽晶對(duì)矽晶、矽晶對(duì)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(WafertoWafer)、DTD(DietoDie)與DTD3D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/DTD3D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(cè)器(CMOSImageSensor；CIS)、整合微機(jī)電技術(shù)(MEMS)的感測(cè)器晶片，以及前述NAND、DRAM等晶片產(chǎn)品。未來(lái)將進(jìn)一步應(yīng)用到功率放大器(PA)、異質(zhì)性整合3DIC晶片(Heterogeneous3DIC)、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(tái)，其產(chǎn)值將從2011年27億美元快速成長(zhǎng)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C4Bump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(ChipScale)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C4Bump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(duì)外拉線訊號(hào)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3DIC、2.5DIC堆疊技術(shù)所采用。當(dāng)接下來(lái)的異質(zhì)性整合3DIC(Heterogeneous)時(shí)，不同功耗／散熱屬性的各種裸晶之間，也可能透過(guò)中介板來(lái)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。
3DIC技術(shù)蓄勢(shì)待發(fā)
臺(tái)積電(TSMC)曾在SEMATECH2011論壇中，提出人類(lèi)大腦與當(dāng)前密集度最高的機(jī)體電路的比較。以NVIDIAGF100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(lèi)大腦有1,000億個(gè)腦細(xì)胞單元，折算起來(lái)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(lái)的人工智慧晶片要能追上人類(lèi)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(tái)積電28nm制程算起再進(jìn)化7~8代制程(或18~20年)，未來(lái)平行化處理、低功耗綠色環(huán)保制程與3DIC矽晶疊合技術(shù)成為必然趨勢(shì)。
3DIC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(guò)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(guó)三星(Samsung)發(fā)表宣布將8個(gè)2GbNAND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)8GbDDR3，以及后續(xù)32GbDDR3的計(jì)劃。
由于3DIC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(cè)，預(yù)估2012至2016年全球3DIC市場(chǎng)的年復(fù)合成長(zhǎng)率為19.7%，成長(zhǎng)貢獻(xiàn)主要來(lái)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(tái)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3DIC的研發(fā)與生產(chǎn)。
建立3DIC+TSV產(chǎn)業(yè)鏈與技術(shù)可量產(chǎn)化仍需時(shí)間
國(guó)際半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(SEMATECH)持續(xù)進(jìn)行3DTSV計(jì)劃，邀集格羅方德(GlobalFoudries)、惠普(HP)、IBM、英特爾(Intel)、三星(Samsung)、高通(Qualcomm)、臺(tái)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3DIC堆疊的桌上型堆疊式WideI/ODRAM晶片(10~150W,64GB/s)，與筆記型WideI/ODRAM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3DTSV技術(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)下一代更高密集度的IC。
日月光集團(tuán)(ASE)指出，3DIC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3DIC相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)范以外，ASE采用SEMI規(guī)范平臺(tái)的3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)，并與DesignHouse、Foundry積極合作，完成DietoDie、DietoSiP疊合互連規(guī)范，以及3D堆疊與計(jì)量與封裝信賴(lài)度確認(rèn)，在Foundry、Memoryhouse與封測(cè)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JEDECJC-11WideI/O立體記憶晶片介面規(guī)范與3DQA與計(jì)量規(guī)范。
目前3DIC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、NANDFlash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、NANDFlash等3DIC可望開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)。至于要針對(duì)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(wèn)題的限制尚待克服，異質(zhì)性整合的3DIC是否能在2014年結(jié)束前導(dǎo)入量產(chǎn)，仍有待觀察。
摩爾定律漸趨瓶頸IC封裝朝立體天際線發(fā)展
過(guò)去40年來(lái)，摩爾定律(Moore’sLaw)「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(kāi)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(zhǎng)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(duì)裸晶、裸晶對(duì)中介板、中介板與PCB板的連接。YOLE
從過(guò)去DIP、QFP、LCC、PGA、TSOP、WBBGA封裝，2000年起從朝向原始晶片尺寸化的封裝，如低價(jià)QFN、WLCSP(WaferLevelChipScalePackage)、FCBGA/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2.5DInterposer、3DWLP、PoP(PackageonPackage)/PiP(PackageinPackage)以及3DIC技術(shù)等。
TSV矽穿孔技術(shù)
TSV(ThroughSiliconVias)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(guò)去基板與裸晶的打金線結(jié)合(WireBonding)的方式，它也是目前2.5DIC與3DIC中穿針引線的關(guān)鍵技術(shù)。其制程可分為先鉆孔(Viafirst)、結(jié)合Via-middle與后鉆孔(Vialast)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(mǎn)，達(dá)成矽晶對(duì)矽晶、矽晶對(duì)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(WafertoWafer)、DTD(DietoDie)與DTD3D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/DTD3D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(cè)器(CMOSImageSensor；CIS)、整合微機(jī)電技術(shù)(MEMS)的感測(cè)器晶片，以及前述NAND、DRAM等晶片產(chǎn)品。未來(lái)將進(jìn)一步應(yīng)用到功率放大器(PA)、異質(zhì)性整合3DIC晶片(Heterogeneous3DIC)、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(tái)，其產(chǎn)值將從2011年27億美元快速成長(zhǎng)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C4Bump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(ChipScale)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C4Bump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(duì)外拉線訊號(hào)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3DIC、2.5DIC堆疊技術(shù)所采用。當(dāng)接下來(lái)的異質(zhì)性整合3DIC(Heterogeneous)時(shí)，不同功耗／散熱屬性的各種裸晶之間，也可能透過(guò)中介板來(lái)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。
3DIC技術(shù)蓄勢(shì)待發(fā)
臺(tái)積電(TSMC)曾在SEMATECH2011論壇中，提出人類(lèi)大腦與當(dāng)前密集度最高的機(jī)體電路的比較。以NVIDIAGF100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(lèi)大腦有1,000億個(gè)腦細(xì)胞單元，折算起來(lái)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(lái)的人工智慧晶片要能追上人類(lèi)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(tái)積電28nm制程算起再進(jìn)化7~8代制程(或18~20年)，未來(lái)平行化處理、低功耗綠色環(huán)保制程與3DIC矽晶疊合技術(shù)成為必然趨勢(shì)。
3DIC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(guò)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(guó)三星(Samsung)發(fā)表宣布將8個(gè)2GbNAND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)8GbDDR3，以及后續(xù)32GbDDR3的計(jì)劃。
由于3DIC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(cè)，預(yù)估2012至2016年全球3DIC市場(chǎng)的年復(fù)合成長(zhǎng)率為19.7%，成長(zhǎng)貢獻(xiàn)主要來(lái)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(tái)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3DIC的研發(fā)與生產(chǎn)。
建立3DIC+TSV產(chǎn)業(yè)鏈與技術(shù)可量產(chǎn)化仍需時(shí)間
國(guó)際半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(SEMATECH)持續(xù)進(jìn)行3DTSV計(jì)劃，邀集格羅方德(GlobalFoudries)、惠普(HP)、IBM、英特爾(Intel)、三星(Samsung)、高通(Qualcomm)、臺(tái)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3DIC堆疊的桌上型堆疊式WideI/ODRAM晶片(10~150W,64GB/s)，與筆記型WideI/ODRAM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3DTSV技術(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)下一代更高密集度的IC。
日月光集團(tuán)(ASE)指出，3DIC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3DIC相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)范以外，ASE采用SEMI規(guī)范平臺(tái)的3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)，并與DesignHouse、Foundry積極合作，完成DietoDie、DietoSiP疊合互連規(guī)范，以及3D堆疊與計(jì)量與封裝信賴(lài)度確認(rèn)，在Foundry、Memoryhouse與封測(cè)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JEDECJC-11WideI/O立體記憶晶片介面規(guī)范與3DQA與計(jì)量規(guī)范。
目前3DIC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、NANDFlash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、NANDFlash等3DIC可望開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)。至于要針對(duì)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(wèn)題的限制尚待克服，異質(zhì)性整合的3DIC是否能在2014年結(jié)束前導(dǎo)入量產(chǎn)，仍有待觀察。
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