IDM垂直整合在即 移动智能终端拉动3D TSV爆发

全球最大的电信设备商思科今年早些时候称，随着智能手机和平板电脑等移动智能终端的快速普及，未来全球移动数据流量预计将从2011年的0.6EB(Exabyte)激增到2016年的10.8EB，数据量规模扩大17倍之多。为了满足越来越高的移动数据流量和传输速度对系统的需求，减少芯片体积的同时进一步提升性能，IC封装的复杂性也在不断升级，以硅通孔(TSV)技术为基础的各种芯片堆叠封装工艺应运而生，包括3D IC、3D WLCSP、2.5D介质层工艺等。

日前在由香港科技园公司和香港应用科技研究院联合举办的“3D IC研讨会”上，来自香港应科院、台湾工研院及美国、日本、法国和德国等地的技术专家共同研讨了3D TSV技术的发展前景，就发展该技术所面对的挑战、解决方案及对现有生态系统的影响进行了交流。

移动智能终端繁荣3D IC

对于堆叠器件的3D封装工艺而言，TSV是一种被广为看好的新兴技术解决方案。该方案通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制造垂直通孔，实现芯片之间的互连。与系统级堆叠封装技术SiP相比，TSV结合微凸块，去掉了引线，能够在三维方向使得堆叠密度最大、外形尺寸最小，并且大大改善了芯片速度和低功耗性能，因此被视作是继引线键合、TAB和倒装芯片之后的第四代封装互连技术。

3D WLCSP是当前能高效整合小尺寸光电组件如CMOS影像传感器等的首选解决方案，同时也是目前最成熟的3D TSV平台。据市场调研机构Yole Developpement估计，2011年该市场规模大约为2.7亿美元，其中有超过90%来自于低端和低分辨率CMOS影像传感器(通常指CIF、VGA、1MPx/2MPx传感器等)。

移动智能终端正在成为3D IC产业最主要的推动力。Yole Developpement首席技术官Pascal Viaud预测称，3D TSV芯片产业正在以10倍于整个半导体市场发展速度的增速爆发式成长，截至2017年将达到380亿美元的市场规模。从终端产品形态分布来看，智能手机、平板电脑、笔记本电脑将分别以42%、14%、5%的份额占据市场前三甲。

2.5D克服叠加过程热效应

尽管如此，3D IC依然有很多棘手的技术难题有待突破。赛灵思公司全球高级副总裁汤立人指出，3D IC目前最大的挑战在于热效应。他解释说，器件工作时会产生热量，不同的芯片受热后其膨胀系数是不同的，当把两片芯片堆叠在一起，如果一个膨胀快，一个膨胀慢，芯片与芯片之间就会产生很大的应力。硅通孔也会有应力存在，同样会影响周围晶体管的性能。特别是对于模拟IC来说，散热更是一个影响性能的大问题。

据了解，目前能真正实现3D封装的主要是存储器和MEMS，因为这类器件面临的发热等问题小一些，而要想实现不同的复杂逻辑IC之间的真正3D封装，至少还需要2~3年的时间。在此之前，透过中介层连接芯片与基板I/O的2.5D IC不失为一个有效的过渡技术。

赛灵思与台积电合作推出的业界首款异构3D FPGA Virtex-7 2000T即采用了2.5D IC技术。汤立人介绍说，该器件采用并排式芯片布局，将四个相同的、经ASMBL架构优化的FPGA Slice并排排列在硅中介层上。Slice之间拥有超过10,000个过孔走线，时延仅为1ns，然后再通过微凸块将硅片连接至硅中介层，构建了相当于容量达2,000万门ASIC的可编程逻辑器件。由于采用的是大量低延时芯片间互连，并连接至球形栅格阵列，避免了3D垂直硅片堆叠方法出现的热效应问题。

香港应科院史训清博士提醒与会者道：“除了热效应之外，3D TSV技术还面临一大挑战，那就是晶圆的设计开发周期。由于3D IC工艺复杂性和集成度的提高，原有EDA工具性能是否可以同时跟上、会不会延长产品设计周期等，都是设计人员需要考虑的问题。”

汤立人对此表示，赛灵思的异构3D FPGA已经充分考虑到了这一点，其Vivado设计套件可自动将设计分配到FPGA芯片中，无需任何用户干预。如果需要，用户也可在特定FPGA芯片中进行逻辑布局规划。如果用户没有要求，软件工具可让算法智能地在FPGA芯片内放置相关逻辑，并遵循芯片间和芯片内的连接和时序规则。

供应链垂直整合加剧

3D IC的兴起同样对半导体供应链产生了深远影响，从IDM到无晶圆厂设计公司和晶圆代工厂，从半导体封测厂到基板与电路装配制造商，一场变革正在悄然进行中。Viaud指出，随着工艺复杂性和集成度的提高，特别是在进入3D IC阶段之后，过去那种分散独立、僵硬的IDM模式正在受到快速变化、高度复杂的新一代先进封装技术的挑战。

少数领先公司如台积电正在扮演产业整合者的角色，涵盖邦定、封装、组装、测试垂直整合服务以满足2.5D/3D IC规模商用化所带来的供应链挑战。在未来，能够提供“Full IDM”模式的工厂如台积电、英特尔、意法半导体和三星等将会备受青睐。作为替代解决方案，更多的公司则必须抱团自救，以更加开放的“虚拟IDM” 生态系统与之相抗衡。

据Yole预测，整个3D TSV的半导体封装、组装和测试市场在2017年将达到95亿美元。其中，包括TSV蚀刻填充、布线、凸块、晶圆测试和晶圆级组装在内的中段晶圆处理部分，市场规模预计可达38亿美元。另外，后段的组装和测试部分如3D IC模块等，预估将达57亿美元。

史训清博士对此表示认同，他说：“无论是晶圆代工厂、PCB加工企业，还是IC原厂，未来都会向着一种集中的形态并肩前进，2015年之后全球将只有两种模式存在，一种是台积电模式(实体IDM)，一种就是虚拟IDM系统的形式。”

会议结束之际，汤立人留下了一个值得深思的问题：“3D TSV对供应链的最大挑战在于产品性能缺陷从过去的责任清晰变得难以界定，晶圆制作和封装到底哪个环节该为良率负责？”这同样是3D TSV产业发展带来的新问题。