全球最大的電信設(shè)備商思科今年早些時候稱，隨著智能手機(jī)和平板電腦等移動智能終端的快速普及，未來全球移動數(shù)據(jù)流量預(yù)計將從2011年的0.6EB(Exabyte)激增到2016年的10.8EB，數(shù)據(jù)量規(guī)模擴(kuò)大17倍之多。為了滿足越來越高的移動數(shù)據(jù)流量和傳輸速度對系統(tǒng)的需求，減少芯片體積的同時進(jìn)一步提升性能，IC封裝的復(fù)雜性也在不斷升級，以硅通孔(TSV)技術(shù)為基礎(chǔ)的各種芯片堆疊封裝工藝應(yīng)運(yùn)而生，包括3D IC、3D WLCSP、2.5D介質(zhì)層工藝等。

日前在由香港科技園公司和香港應(yīng)用科技研究院聯(lián)合舉辦的“3D IC研討會”上，來自香港應(yīng)科院、臺灣工研院及美國、日本、法國和德國等地的技術(shù)專家共同研討了3D TSV技術(shù)的發(fā)展前景，就發(fā)展該技術(shù)所面對的挑戰(zhàn)、解決方案及對現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了交流。

移動智能終端繁榮3D IC

對于堆疊器件的3D封裝工藝而言，TSV是一種被廣為看好的新興技術(shù)解決方案。該方案通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制造垂直通孔，實現(xiàn)芯片之間的互連。與系統(tǒng)級堆疊封裝技術(shù)SiP相比，TSV結(jié)合微凸塊，去掉了引線，能夠在三維方向使得堆疊密度最大、外形尺寸最小，并且大大改善了芯片速度和低功耗性能，因此被視作是繼引線鍵合、TAB和倒裝芯片之后的第四代封裝互連技術(shù)。

3D WLCSP是當(dāng)前能高效整合小尺寸光電組件如CMOS影像傳感器等的首選解決方案，同時也是目前最成熟的3D TSV平臺。據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Developpement估計，2011年該市場規(guī)模大約為2.7億美元，其中有超過90%來自于低端和低分辨率CMOS影像傳感器(通常指CIF、VGA、1MPx/2MPx傳感器等)。

移動智能終端正在成為3D IC產(chǎn)業(yè)最主要的推動力。Yole Developpement首席技術(shù)官Pascal Viaud預(yù)測稱，3D TSV芯片產(chǎn)業(yè)正在以10倍于整個半導(dǎo)體市場發(fā)展速度的增速爆發(fā)式成長，截至2017年將達(dá)到380億美元的市場規(guī)模。從終端產(chǎn)品形態(tài)分布來看，智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦將分別以42%、14%、5%的份額占據(jù)市場前三甲。

2.5D克服疊加過程熱效應(yīng)

盡管如此，3D IC依然有很多棘手的技術(shù)難題有待突破。賽靈思公司全球高級副總裁湯立人指出，3D IC目前最大的挑戰(zhàn)在于熱效應(yīng)。他解釋說，器件工作時會產(chǎn)生熱量，不同的芯片受熱后其膨脹系數(shù)是不同的，當(dāng)把兩片芯片堆疊在一起，如果一個膨脹快，一個膨脹慢，芯片與芯片之間就會產(chǎn)生很大的應(yīng)力。硅通孔也會有應(yīng)力存在，同樣會影響周圍晶體管的性能。特別是對于模擬IC來說，散熱更是一個影響性能的大問題。

據(jù)了解，目前能真正實現(xiàn)3D封裝的主要是存儲器和MEMS，因為這類器件面臨的發(fā)熱等問題小一些，而要想實現(xiàn)不同的復(fù)雜邏輯IC之間的真正3D封裝，至少還需要2~3年的時間。在此之前，透過中介層連接芯片與基板I/O的2.5D IC不失為一個有效的過渡技術(shù)。

賽靈思與臺積電合作推出的業(yè)界首款異構(gòu)3D FPGA Virtex-7 2000T即采用了2.5D IC技術(shù)。湯立人介紹說，該器件采用并排式芯片布局，將四個相同的、經(jīng)ASMBL架構(gòu)優(yōu)化的FPGA Slice并排排列在硅中介層上。Slice之間擁有超過10,000個過孔走線，時延僅為1ns，然后再通過微凸塊將硅片連接至硅中介層，構(gòu)建了相當(dāng)于容量達(dá)2,000萬門ASIC的可編程邏輯器件。由于采用的是大量低延時芯片間互連，并連接至球形柵格陣列，避免了3D垂直硅片堆疊方法出現(xiàn)的熱效應(yīng)問題。

香港應(yīng)科院史訓(xùn)清博士提醒與會者道：“除了熱效應(yīng)之外，3D TSV技術(shù)還面臨一大挑戰(zhàn)，那就是晶圓的設(shè)計開發(fā)周期。由于3D IC工藝復(fù)雜性和集成度的提高，原有EDA工具性能是否可以同時跟上、會不會延長產(chǎn)品設(shè)計周期等，都是設(shè)計人員需要考慮的問題。”

湯立人對此表示，賽靈思的異構(gòu)3D FPGA已經(jīng)充分考慮到了這一點，其Vivado設(shè)計套件可自動將設(shè)計分配到FPGA芯片中，無需任何用戶干預(yù)。如果需要，用戶也可在特定FPGA芯片中進(jìn)行邏輯布局規(guī)劃。如果用戶沒有要求，軟件工具可讓算法智能地在FPGA芯片內(nèi)放置相關(guān)邏輯，并遵循芯片間和芯片內(nèi)的連接和時序規(guī)則。

供應(yīng)鏈垂直整合加劇

3D IC的興起同樣對半導(dǎo)體供應(yīng)鏈產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，從IDM到無晶圓廠設(shè)計公司和晶圓代工廠，從半導(dǎo)體封測廠到基板與電路裝配制造商，一場變革正在悄然進(jìn)行中。Viaud指出，隨著工藝復(fù)雜性和集成度的提高，特別是在進(jìn)入3D IC階段之后，過去那種分散獨(dú)立、僵硬的IDM模式正在受到快速變化、高度復(fù)雜的新一代先進(jìn)封裝技術(shù)的挑戰(zhàn)。

少數(shù)領(lǐng)先公司如臺積電正在扮演產(chǎn)業(yè)整合者的角色，涵蓋邦定、封裝、組裝、測試垂直整合服務(wù)以滿足2.5D/3D IC規(guī)模商用化所帶來的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)。在未來，能夠提供“Full IDM”模式的工廠如臺積電、英特爾、意法半導(dǎo)體和三星等將會備受青睞。作為替代解決方案，更多的公司則必須抱團(tuán)自救，以更加開放的“虛擬IDM” 生態(tài)系統(tǒng)與之相抗衡。

據(jù)Yole預(yù)測，整個3D TSV的半導(dǎo)體封裝、組裝和測試市場在2017年將達(dá)到95億美元。其中，包括TSV蝕刻填充、布線、凸塊、晶圓測試和晶圓級組裝在內(nèi)的中段晶圓處理部分，市場規(guī)模預(yù)計可達(dá)38億美元。另外，后段的組裝和測試部分如3D IC模塊等，預(yù)估將達(dá)57億美元。

史訓(xùn)清博士對此表示認(rèn)同，他說：“無論是晶圓代工廠、PCB加工企業(yè)，還是IC原廠，未來都會向著一種集中的形態(tài)并肩前進(jìn)，2015年之后全球?qū)⒅挥袃煞N模式存在，一種是臺積電模式(實體IDM)，一種就是虛擬IDM系統(tǒng)的形式?！?BR>
會議結(jié)束之際，湯立人留下了一個值得深思的問題：“3D TSV對供應(yīng)鏈的最大挑戰(zhàn)在于產(chǎn)品性能缺陷從過去的責(zé)任清晰變得難以界定，晶圓制作和封裝到底哪個環(huán)節(jié)該為良率負(fù)責(zé)？”這同樣是3D TSV產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的新問題。