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隨著(zhù)目前平面化的芯片開(kāi)始出現多層式結構，半導體制造的基礎將在未來(lái)幾年發(fā)生轉變。在全球主要的半導體工程領(lǐng)域花費近十年的時(shí)間致力于使得這種結構實(shí)現可制造化之后，立體的三維芯片（3DIC）終于可望在明年開(kāi)始商用化──但這其實(shí)也已經(jīng)遠落后于先前規劃的時(shí)程多年了。 過(guò)去幾年來(lái)，芯片制造商們一直在努力地使與3DIC互連的TSV技術(shù)更加完善�，F在，TSV已經(jīng)可針對2D作業(yè)實(shí)現最佳化了，例如從平面芯片的正面傳送數據到背面的微凸塊，采用堆棧芯片的3DIC時(shí)代即將來(lái)臨。 去年冬天所舉行的國際固態(tài)電路會(huì )議（ISSCC）上所探討的主題幾乎都是3D芯片，例如三星（Samsung）公司大肆宣傳其1Gb行動(dòng)DRAM，并計劃在2013年前量產(chǎn)4Gbit芯片。透過(guò)三星的2.5D技術(shù)，可使采用TSV的堆棧DRAM與系統級封裝（SiP）上的微凸塊密切配合。 預計今年秋天就能看到在2.5D技術(shù)方面的重大成就──賽靈思（Xilinx）公司將提供一種多級FPGA解決方案，它透過(guò)封裝技術(shù)而使四個(gè)平行排列的Virtex-7FPGA與硅晶內插器上的微凸塊實(shí)現互連。臺灣集成電路制造公司（TSMC）正在制造這種可為FPGA重新分配互連的硅晶內插器──采用一種以‘塌陷高度控制芯片連接’（C4）技術(shù)接合基板封裝上銅球的TSV技術(shù)。臺積電承諾可望在明年為其代工客戶(hù)提供這種突破性的2.5D至3D過(guò)渡技術(shù)。 然而，2011年所發(fā)布最令人驚喜的3DIC消息來(lái)自于IBM公司。該公司最近透露已經(jīng)秘密地大規模生產(chǎn)可用于大量行動(dòng)消費電子設備的成熟3DIC，不過(guò)使用的仍是低密度的TSV技術(shù)。由于累積了相當的技術(shù)經(jīng)驗，IBM聲稱(chēng)目前已掌握了3D的其它工程障礙，并預計能在2012年時(shí)克服這些挑戰。 “憑借一招半式闖天涯的時(shí)代已經(jīng)結束了，”IBM公司研究副總裁BernardMeyerson指出，“如果只想依賴(lài)于某種材料、芯片架構、網(wǎng)絡(luò )、軟件或整合，就無(wú)法在3D性能戰中取得勝算。為了要在3D戰場(chǎng)上致勝，就必須盡可能地同時(shí)使用所有的資源�！� IBM在今年九月宣布已經(jīng)與3M公司商討共同創(chuàng )造一種新的設計材料──這種材料可望解決3DIC最后剩余的工程障礙：過(guò)熱問(wèn)題。3M公司的任務(wù)在于創(chuàng )造一種適合于堆棧芯片之間的填充材料，也是一種類(lèi)似電介質(zhì)的電絕緣體，但比硅晶的導熱性更佳。3M承諾可在兩年內使這種神奇的材料商用化。 “現在，我們一直在進(jìn)行試驗，希望能在2013年以前發(fā)展出一個(gè)可行的方案，以實(shí)現廣泛的商用化，”3M公司電子市場(chǎng)材料部門(mén)的技術(shù)總監程明說(shuō)。 然而，對于IBM-3M共同開(kāi)發(fā)的努力能否使雙方公司處于3DIC競賽的領(lǐng)先位置，一些分析師們對此仍存疑。 “3M正在制造一種可為3D堆棧解決散熱問(wèn)題的填充材料，”MEMSInvestorJournal先進(jìn)封裝技術(shù)的首席分析師FrancoisevonTrapp說(shuō)�！半m然這絕對是在3DIC量產(chǎn)前必需解決的挑戰之一，但我認為它不見(jiàn)得就是解決3D堆棧其余問(wèn)題的最后關(guān)鍵�！� 3D無(wú)處不在 即使IBM公司聲稱(chēng)已在3DIC生產(chǎn)方面領(lǐng)先，但市場(chǎng)上也不乏其它競爭廠(chǎng)商。事實(shí)上，美國TezzaronSemiconductor已經(jīng)為其鎢TSV制程提供3DIC設計服務(wù)多年了。Tezzaron的FaStack制程可從厚度僅12亳米晶圓的異質(zhì)芯片中制造出3D芯片。它能以每平方毫米1百萬(wàn)TSV深次微米互連的密度為堆棧DRAM提供WideI/O。 連續創(chuàng )業(yè)的企業(yè)家ZviOr-Bach指出，3DIC設計的焦點(diǎn)必須跳脫TSV至超高密度的單片式3D。Or-Bach會(huì )這么說(shuō)，一點(diǎn)都不令人意外，因為他最近還成為了IP開(kāi)發(fā)公司MonolithIC3DInc.的總裁兼CEO。另一家新創(chuàng )的BeSang公司也聲稱(chēng)即將制造出不必使用TSV技術(shù)的單片式3D內存原型芯片，可望在2012年首次亮相。 然而，當今最先進(jìn)的技術(shù)還是采用TSV的3D芯片堆棧，幾乎每一家主要的半導體公司都專(zhuān)注于這項技術(shù)的研發(fā)�！癐BM公司更挑戰該技術(shù)極限，透過(guò)與3M公司的合作以尋求超越當前架構的其它可能性。然而，IBM在3D方面取得的每項進(jìn)展也將激起像三星（Samsung）、英特爾（Intel）與臺積電等競爭廠(chǎng)商的創(chuàng )造力，這些廠(chǎng)商們都已在3DIC方面各自展開(kāi)相關(guān)開(kāi)發(fā)工作，”市場(chǎng)觀(guān)察公司TheEnvisioneeringGroup總監RichardDoherty表示。 用于制造3DIC的技術(shù)并不是最近才開(kāi)發(fā)的，而當今的工作重點(diǎn)在進(jìn)于一步提升這些技術(shù)。例如，目前許多CMOS成像器以TSV將畫(huà)素數據從基板前面傳至背面，而芯片堆棧的概念可追溯到晶體管先驅W(xué)illiamShockley早在1958年時(shí)的專(zhuān)利。此后，堆棧芯片的配置常常被加以利用──例如在A(yíng)SIC上堆棧MEMS傳感器，或在處理器核心上堆棧一個(gè)小型DRAM－－但通常是使用焊線(xiàn)接合的方式來(lái)實(shí)現互連。 從焊線(xiàn)接合過(guò)渡到TSV的方式，使得互連更為密集。它還讓設計者們免于嚴格的矩形布局要求，讓他們能像設計電路板一樣地進(jìn)行芯片設計。缺乏電路的地區則可用于其它結構，如垂直互連總線(xiàn)或甚至是制冷劑氣體的煙囪等。異質(zhì)的3D堆棧芯片還提高了整合度，讓整個(gè)系統可組合成一個(gè)單一的硅晶塊。 “3DIC最重要的是帶來(lái)一個(gè)擺脫農場(chǎng)般架構的機會(huì )，每個(gè)芯片分割為毗鄰的矩形區域，”Doherty說(shuō)�！�3D芯片設者所使用的方式并不是試圖使用芯片上的所有空間，而是開(kāi)始從芯片上切割出正方形、三角形和圓形以實(shí)現垂直互連，并使其得以散熱。 “3D技術(shù)啟發(fā)了更多的芯片設計新思維。設計人員們現在能以創(chuàng )新的方式來(lái)結合CPU、內存與I/O功能，使他們必須采取不同的思考方式來(lái)進(jìn)行設計。這在過(guò)去一切都得并排設計的傳統方式是無(wú)法實(shí)現的�！� 全球主要的的半導體組織都為3D技術(shù)展開(kāi)各種標準建立工作。國際半導體設備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )（SEMI）成立了四個(gè)致力于3DIC標準制定的工作小組。此外，其3DS-IC標準委員會(huì )包括SEMI會(huì )員Globalfoundries、HP、IBM、英特爾、三星與聯(lián)華電子（UMC），以及Amkor、ASE、歐洲的IMEC、臺灣工研院（ITRI）、Olympus、高通（Qualcomm）、Semilab、TokyoElectron與賽靈思等公司。 半導體制造聯(lián)盟（Sematech）已經(jīng)成立了一個(gè)3D芯片設計中心。參與成員包括Altera、ADI、LSI、安森美半導體（Semiconductor）和高通等公司。Sematech聯(lián)盟還在紐約州立大學(xué)阿爾巴尼分�？茖W(xué)與工程院設置一條300毫米的3DIC試產(chǎn)線(xiàn)。 比利時(shí)微子研究中心（IMEC）與CascadeMicrotech公司合作為3DIC進(jìn)行測試與特征化。德國研究機構FraunhoferIZM表示可望在2014年以前將處理器、內存、邏輯、模擬、MEMS和RF芯片整合于單片式3DIC中。 臺灣工研院贊助成立了一個(gè)3DIC聯(lián)盟，目前已有超過(guò)20家成員聯(lián)盟。聯(lián)盟中的許多廠(chǎng)商們均可望從明年初開(kāi)始提供端至端的3DIC代工服務(wù)。 今年九月，在國際半導體展（Semicon）的3DIC技術(shù)論壇中，英特爾表示正致力于堆棧3DIC的開(kāi)發(fā)工作（但這并不是指其FinFET三閘晶體管）。此外，在Semicon上，爾必達（Elpida）據稱(chēng)其與力成科技（PowertechTechnology）和聯(lián)電在2GbitDRAM的共同研發(fā)上己取得了進(jìn)展，該合作團隊采用了以高密度TSV連結的堆棧DDR3芯片。 聯(lián)合電子裝置工程協(xié)會(huì )（JEDEC）可望在今年底前率先為3DIC開(kāi)發(fā)出WideI/O標準。JEDEC規格將支持512位寬的接口。 法國半導體研究機構CEA-LETI與意法半導體（STMicroelectronics）和硅晶內插器制造商ShinkoElectricIndustriesCo.共同合作，以推動(dòng)2.5D至3DIC的順利過(guò)渡。該合作小組現于一座300毫米晶圓制造廠(chǎng)生產(chǎn)原型組件，預計最早在2012年推出商用化設計。 歐洲CMOSAIC項目則展開(kāi)更長(cháng)程的計劃，期望在2013年以前找到冷卻單片式3DIC堆棧的創(chuàng )新辦法。這項四年期的計劃還包括了蘇黎世IBM公司、巴黎高等洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EcolePolytechniqueFederaledeLausanne）以及蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（theSwissFederalInstituteofTechnologyZurich）等組織的共同參與。 Sidebar：IBM與3M攜手搶攻3DIC市場(chǎng) IBM+3M=3D芯片。這已經(jīng)是一個(gè)瑯瑯上口的公式�！霸谶@項合作計劃中，3M公司提供了可實(shí)現3D的技術(shù)平臺，”IBM公司研究副總裁BernardMeyerson說(shuō)。 經(jīng)過(guò)多年研究實(shí)現3DIC所需的每項組件技術(shù)后，IBM確定目前缺少一種非常重要的材料，因而決定與3M公司攜手共同創(chuàng )造這種材料。根據IBM表示，影響3DIC發(fā)展的關(guān)鍵障礙是一種未填充的材料，它可同時(shí)用來(lái)作為電絕緣體和熱導體，并從熱點(diǎn)耗散熱。IBM打算使用這種材料來(lái)接合3D結構上包含冷卻劑的微流體通道。 “3M公司的技術(shù)能夠滿(mǎn)足3DIC接合的真正不同需求，”Meyerson說(shuō)�！拔覀兗认胍袩o(wú)限的導熱接合劑，也想要電導率為零�！� 根據Meyerson表示，最不利的限制是接合劑的熱膨脹系數必須與用于互連的金屬配合；否則，接合劑加熱時(shí)將破壞金屬化特性。 “熱導率、電導率和熱膨脹等都是彼此有關(guān)的，更遑論其易碎性。這就是我們所謂過(guò)度受限的系統�！� 3M電子市場(chǎng)材料部技術(shù)總監程明說(shuō)，3M“基本上是一家有能力調合接合劑與聚合物特性的材料公司，甚至能符合相互沖突的規范需求。我們的接合劑將結合不同類(lèi)型的聚合物、低聚物和單體，以及必備的觸角與粘著(zhù)劑，以滿(mǎn)足IBM的規格需求�！� 根據3M公司表示，該公司尚未決定這款共同開(kāi)發(fā)的3DIC接合劑是否將會(huì )出售給其它芯片制造商。但根據IBM過(guò)去的做法，該公司甚至會(huì )對競爭對手授權其關(guān)鍵專(zhuān)利。 3M公司也擁有目前機架式計算機用于冷卻熱點(diǎn)的流體開(kāi)發(fā)經(jīng)驗──那些流體可能會(huì )快速地流經(jīng)微流體通道而進(jìn)入3DIC中。Meyerson說(shuō)：“就算你擁有著(zhù)完美的接合劑，也可能必須排除較高堆棧內層的熱量。透過(guò)堆棧的微流體信道水冷散熱器可以從硅磚中間耗散掉大量的熱�！� 程明表示：“我們現有的Fluorinert電子氟化液針對數據中心的服務(wù)器與硬盤(pán)，協(xié)助其冷卻設備進(jìn)行散熱，但與IBM的合作上，我們還將探索用于協(xié)助冷卻3DIC的液體�！� 除了使制程技術(shù)更加精煉，以實(shí)現堆棧芯片的互連與維持冷卻狀態(tài)外，設計人員們還必須思考可能從3DIC串流而出的數據量。在這方面，光子將成為3DIC處理大量I/O時(shí)不可分割的一部份。 “目前的電子數據傳輸可能消耗高達50%的芯片功率。而光子在每位瓦數方面具備更高能效，將成為3DIC的基本要素�！盡eyerson指出，“在堆棧3DIC時(shí)，我們將會(huì )需要用到激光器、諧調器和偵測器�！� 雖然3M與IBM合作的消息不久前才對外發(fā)布，但3M公司開(kāi)發(fā)3D解決方案其實(shí)已經(jīng)有一段時(shí)間了。事實(shí)上，今年稍早，3M公司就曾經(jīng)發(fā)布一款用于處理3D堆棧晶圓的技術(shù)。該公司這款芯片承載系統（WaferSupportSystem；WSS）簡(jiǎn)化專(zhuān)為堆棧而磨薄晶圓的處理過(guò)程。 WSS系統“首先以臨時(shí)黏著(zhù)劑將磨薄的晶圓黏在玻璃上，使玻璃在接合過(guò)程中可支撐晶圓，”程明解釋?zhuān)敖又?zhù)，在兩塊晶圓堆棧后，再透過(guò)雷射剝離過(guò)程移除用于承載的玻璃�！� 預計在2013年以前，3M公司和IBM公司可望準備好這款端對端制程方案，為有如硅晶摩天大樓般堆棧高達100層芯片的處理器、內存、混合訊號、連網(wǎng)與I/O等異質(zhì)性芯片堆棧實(shí)現廣泛的商用化量產(chǎn)。 |
