麥姆斯咨詢(xún)：3D堆疊技術(shù)正成為圖像傳感器和高端IC應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)

微訪談：Xperi公司3D互聯(lián)和封裝研發(fā)副總裁Paul Enquist

憑借更高的性能、更低的功耗和更小的占位面積，3D堆疊技術(shù)正成為高端應(yīng)用和成像應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)?！?.5D/3D硅通孔（TSV）和晶圓級(jí)堆疊技術(shù)及市場(chǎng)-2019版》報(bào)告作者、Yole先進(jìn)封裝技術(shù)和市場(chǎng)分析師Mario Ibrahim，近日有幸采訪了Xperi公司3D互聯(lián)和封裝研發(fā)副總裁Paul Enquist。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，Xperi是一家上市高科技集團(tuán)公司，旗下DTS、FotoNation、Invensas和Tessera四個(gè)子公司均在各自領(lǐng)域擁有領(lǐng)先的科技專(zhuān)利和超過(guò)20年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。其中，Tessera和Invensas是提供半導(dǎo)體封裝和互聯(lián)解決方案的先驅(qū)，采用其技術(shù)的芯片已經(jīng)出貨超過(guò)1000億顆。

2018~2023年按市場(chǎng)細(xì)分的堆疊技術(shù)營(yíng)收

數(shù)據(jù)來(lái)源：《2.5D/3D硅通孔（TSV）和晶圓級(jí)堆疊技術(shù)及市場(chǎng)-2019版》

混合鍵合技術(shù)包含直接堆疊的兩片晶圓，這些晶圓具有平面絕緣表面和隔離的銅互聯(lián)。混合鍵合已經(jīng)在CMOS圖像傳感器（CIS）中取代了硅通孔（TSV）互聯(lián)，在該應(yīng)用中達(dá)到了占位面積、TSV成本縮減以及混合鍵合工藝成本之間的盈虧平衡點(diǎn)。它現(xiàn)在被三星、蘋(píng)果和華為廣泛用于高端智能手機(jī)的CIS。Xperi是一家技術(shù)開(kāi)發(fā)和許可公司，為混合鍵合工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)，并為主要代工廠和集成器件制造商（IDM）提供DBI混合鍵合技術(shù)許可。

到2023年，80%的CIS制造將基于3D堆疊技術(shù)?；旌隙询BCIS的市場(chǎng)份額將相應(yīng)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2017~2023年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將超過(guò)43%。

消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)（主要是CIS應(yīng)用），是2018年堆疊封裝營(yíng)收的最大貢獻(xiàn)者，占據(jù)了65%以上的市場(chǎng)份額。盡管如此，高性能計(jì)算（HPC）是推動(dòng)3D封裝技術(shù)創(chuàng)新的主要應(yīng)用，到2023年期間，該應(yīng)用增長(zhǎng)速度最快，市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將從2018年的20%增長(zhǎng)到2023年的40%。

Yole在晶圓到晶圓（Wafer to Wafer，W2W）和芯片到晶圓（Die to Wafer，D2W），3D堆疊NAND，3D堆疊DRAM存儲(chǔ)器和3D片上系統(tǒng)等領(lǐng)域看到了混合鍵合技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。

Mario Ibrahim（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MI）：作為一家技術(shù)開(kāi)發(fā)和許可公司，您能否簡(jiǎn)要介紹一下Xperi及其商業(yè)模式？Xperi及其子公司展示了悠久的工藝開(kāi)發(fā)歷史，包括一些最早的使能型技術(shù)，如Shellcase、ZiBond和DBI技術(shù)。請(qǐng)您介紹一下Xperi即將商業(yè)化的新解決方案。你們是否在繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的工藝？你們?cè)诤脱芯繖C(jī)構(gòu)合作嗎？

Paul Enquist（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PE）：Xperi及其子公司（DTS、FotoNation、Invensas和Tessera等）致力于打造創(chuàng)新的技術(shù)解決方案，為全球客戶(hù)提供卓越的用戶(hù)體驗(yàn)。Xperi的解決方案已許可給數(shù)百家全球領(lǐng)先的合作伙伴，并已出貨數(shù)十億量級(jí)的產(chǎn)品，包括優(yōu)質(zhì)音頻、汽車(chē)、廣播、計(jì)算成像、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、移動(dòng)計(jì)算和通信、內(nèi)存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及3D半導(dǎo)體互聯(lián)和封裝等應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)于2.5D/3D技術(shù)解決方案，Xperi專(zhuān)注于Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術(shù)的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化，適用于各種半導(dǎo)體應(yīng)用。我們和從材料供應(yīng)商和設(shè)備供應(yīng)商，到半導(dǎo)體制造商和代工廠，以及優(yōu)秀研究機(jī)構(gòu)（如Fraunhofer IZM-ASSID）等整個(gè)供應(yīng)鏈展開(kāi)合作。

采用Xperi公司DBI技術(shù)的3D堆疊DRAM

MI：2.5D和3D堆疊技術(shù)被認(rèn)為是摩爾定律放緩背景下最有希望的兩種替代方案。預(yù)計(jì)2023年的堆疊（封裝）營(yíng)收將超過(guò)57億美元。Xperi如何看待這些集成解決方案的未來(lái)？

PE：對(duì)于半導(dǎo)體封裝行業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一段非常激動(dòng)人心的時(shí)期。隨著摩爾定律的放緩，通過(guò)縮小工藝節(jié)點(diǎn)以改善性能、功能、功耗和成本的歷史規(guī)律大致走向盡頭，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注2.5D/3D堆疊和集成技術(shù)以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。Invensas 2.5D和3D集成技術(shù)使半導(dǎo)體行業(yè)超越了摩爾定律。現(xiàn)在，通過(guò)Invensas ZiBond和DBI堆疊技術(shù)在背照式（BSI）圖像傳感器中的應(yīng)用，已經(jīng)可以看出這種轉(zhuǎn)變。最近，這些技術(shù)已經(jīng)在堆疊BSI圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)了亞微米級(jí)像素?cái)U(kuò)展，以及光電二極管、邏輯和存儲(chǔ)器的異構(gòu)集成。我們相信，我們堆疊技術(shù)基本的成本和性能優(yōu)勢(shì)，將廣泛傳遞至許多其他應(yīng)用。例如，3D NAND和DRAM內(nèi)存市場(chǎng)已準(zhǔn)備好在不久的將來(lái)采用DBI混合鍵合技術(shù)。

MI：Xperi以授權(quán)ZiBond和DBI工藝而聞名，Xperi的主要細(xì)分市場(chǎng)和應(yīng)用是什么？

PE：Xperi專(zhuān)注于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和商業(yè)化Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術(shù)，用于各種半導(dǎo)體應(yīng)用，包括圖像傳感器、RF、MEMS、3D NAND、DRAM和2.5D和3D-IC配置的邏輯器件。最后，我們注意到DBI混合鍵合正在賦能一大波新半導(dǎo)體器件，從一開(kāi)始就以3D思維重新設(shè)計(jì)，而不是簡(jiǎn)單地堆疊傳統(tǒng)的2D架構(gòu)。

ZiBond直接鍵合也已經(jīng)在射頻（RF）器件中應(yīng)用，用于將CMOS開(kāi)關(guān)從高RF損耗原生SOI襯底，轉(zhuǎn)換到低RF損耗俘獲感應(yīng)硅或低RF損耗的非硅晶圓。隨著5G的上市及其所提出的高要求，我們預(yù)計(jì)ZiBond直接鍵合技術(shù)的價(jià)值和適用性將在RF領(lǐng)域大幅增長(zhǎng)。

MI：您如何看待從使用TSV的ZiBond到DBI的過(guò)渡？您是否看到這些工藝的進(jìn)一步應(yīng)用？

PE：多年來(lái)，ZiBond和DBI都被用于制造BSI圖像傳感器。剛開(kāi)始ZiBond用于在硅處理晶圓或在具有TSV互聯(lián)的CMOS邏輯晶圓上堆疊光電探測(cè)器晶圓。在光電探測(cè)器晶圓堆疊之前，TSV還與ZiBond一起用于CMOS邏輯器件與存儲(chǔ)器晶圓的堆疊和電氣互聯(lián)。使用DBI替代ZiBond進(jìn)行堆疊，已經(jīng)證明通過(guò)簡(jiǎn)單的焊盤(pán)切割替換TSV，可以非常有效地進(jìn)一步縮小芯片并節(jié)省工藝成本。我們預(yù)計(jì)將看到向DBI混合鍵合的持續(xù)過(guò)渡，尤其是在圖像傳感器領(lǐng)域，因?yàn)樾袠I(yè)需要像素到像素級(jí)互聯(lián)。也就是說(shuō)，我們預(yù)計(jì)ZiBond和DBI將在未來(lái)多年內(nèi)持續(xù)共存。

MI：2018年末，Xperi宣布與三星達(dá)成了新的專(zhuān)利許可協(xié)議。Yole預(yù)計(jì)在基于DRAM的3D堆疊存儲(chǔ)器中將使用混合鍵合技術(shù)。這是否會(huì)為混合鍵合技術(shù)在高帶寬存儲(chǔ)（HBM）和3D堆疊DRAM市場(chǎng)打開(kāi)大門(mén)？

PE：我們非常高興與三星達(dá)成協(xié)議，并期待在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)互利關(guān)系。

關(guān)于在HBM和3D堆疊DRAM中使用Invensas DBI混合鍵合，我們認(rèn)為這是一種出色的解決方案，特別是在D2W配置中，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)更低的電寄生效應(yīng)，更低的熱阻抗，在JEDEC（電子器件工程聯(lián)合委員會(huì)）高度限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多堆疊的芯片，以及與熱壓鍵合相比減少鍵合周期。此外，DBI混合鍵合本身可以在低溫下進(jìn)行，并且不需要底部填充，這是相比替代鍵合方案的顯著優(yōu)勢(shì)。我們正積極與客戶(hù)合作，展示這些優(yōu)勢(shì)，并期待近、中期的商業(yè)化產(chǎn)品。

我們還將3D NAND視為W2W DBI混合鍵合的重要機(jī)遇。微米級(jí)DBI互聯(lián)可以支持將I/O和存儲(chǔ)器單元構(gòu)建在單獨(dú)的晶圓上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立優(yōu)化的工藝節(jié)點(diǎn)，然后堆疊，從而實(shí)現(xiàn)顯著的性能、密度和成本優(yōu)勢(shì)。這是我們具有近、中期商業(yè)化潛力的另一個(gè)重要業(yè)務(wù)。

W2W和D2W DBI混合鍵合晶圓示意圖

MI：除了三星之外，一家總部位于中國(guó)的新存儲(chǔ)廠商長(zhǎng)江存儲(chǔ)（YMTC），在2018年底發(fā)布了其Xtacking技術(shù)（不使用TSV）。DBI和W2W組裝工藝是否與NAND晶圓兼容？Xperi在不斷增長(zhǎng)的中國(guó)存儲(chǔ)市場(chǎng)的計(jì)劃是什么？會(huì)很快商業(yè)化嗎？

PE：Invensas DBI技術(shù)兼容DRAM和NAND晶圓。Invensas DBI鍵合工藝的熱預(yù)算可以限制在150℃，這為廣泛的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。

就中國(guó)而言，“中國(guó)制造2025”計(jì)劃正在推動(dòng)中國(guó)對(duì)先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的需求。因此，我們認(rèn)為即將興起的中國(guó)半導(dǎo)體制造商和代工廠，代表了ZiBond和DBI等3D集成技術(shù)的重要機(jī)遇。我們正在這個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)與各類(lèi)廠商合作，期待很快將有產(chǎn)品商業(yè)化。

MI：在低溫鍵合中加入的縮放和低間距技術(shù)是混合鍵合的一些優(yōu)點(diǎn)。所需的極低表面粗糙度可能是該技術(shù)的難點(diǎn)/缺點(diǎn)。您能否詳細(xì)介紹一下混合鍵合技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)？

PE：與其他技術(shù)相比，縮放互聯(lián)間距是DBI技術(shù)的一個(gè)基本優(yōu)勢(shì)。雖然Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合在表面粗糙度和表面清潔度方面具有嚴(yán)苛的要求，但行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的亞微米特征尺寸“大馬士革”（Damascene）工藝和潔凈室環(huán)境，已被用于多代CMOS工藝節(jié)點(diǎn)后端工藝的多級(jí)互聯(lián)堆疊，已被證明能夠滿(mǎn)足這些技術(shù)的要求，已經(jīng)出貨數(shù)十億顆的BSI圖像傳感器便是有力證明。

MI：工藝改進(jìn)的下一步是什么？

PE：我們不斷參與自己內(nèi)部和客戶(hù)的工藝改進(jìn)，以滿(mǎn)足特定應(yīng)用中出現(xiàn)的特定需求。過(guò)去幾年的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是D2W DBI混合鍵合，我們認(rèn)為這對(duì)于DRAM和異構(gòu)邏輯器件和存儲(chǔ)器集成應(yīng)用非常重要。我們的研究重點(diǎn)是優(yōu)化切割、清潔和高通量芯片鍵合，已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。我們對(duì)這種特定方案的前景及其對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的影響感到非常興奮。

MI：由于更小的特征尺寸，W2W對(duì)準(zhǔn)精度要求更高。目前在HVM應(yīng)用中可行的精度是多少，未來(lái)幾年的路線圖將如何發(fā)展？

PE：目前量產(chǎn)的晶圓鍵合設(shè)備能夠達(dá)到+/- 250nm的對(duì)準(zhǔn)精度，3 sigma，并且在HVM中支持3.7um間距DBI混合鍵合。設(shè)備供應(yīng)商表示，他們的路線圖中有100nm甚至50nm，3 sigma對(duì)準(zhǔn)能力，我們很期待到時(shí)利用這種性能。

MI：高端細(xì)分領(lǐng)域的先進(jìn)封裝正變得多樣化，包括各種采用或不采用TSV的先進(jìn)封裝技術(shù)，其中包括英特爾的Foveros和EMIB、三星的RDL技術(shù)、Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWoS）、臺(tái)積電的基板上的3D SoC和集成扇出型封裝（InFO），以及安靠（Amkor）的SWIFT等技術(shù)。您是否認(rèn)為它們是現(xiàn)有TSV和W2W技術(shù)的真正挑戰(zhàn)者？Xperi如何看待這些技術(shù)？Xperi會(huì)支持這些技術(shù)嗎？

PE：我們預(yù)計(jì)會(huì)有各種各樣的封裝技術(shù)可供選擇，因?yàn)槭袌?chǎng)和應(yīng)用需求變化很大?，F(xiàn)實(shí)情況是，行業(yè)需要一種包含各種封裝和互聯(lián)解決方案的工具集，可以從中選擇以解決市場(chǎng)不斷變化的需求。雖然，隨著應(yīng)用的成熟，可能會(huì)對(duì)這些解決方案進(jìn)行一些整合，但我們預(yù)計(jì)各種封裝和互聯(lián)解決方案將在未來(lái)幾年共存。需要注意的是，這些技術(shù)中的一些是互補(bǔ)關(guān)系，而不是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。例如，DBI混合鍵合是一種多功能互聯(lián)解決方案，可與各種2.5D和3D封裝組裝技術(shù)結(jié)合使用。

MI：Yole認(rèn)為，隨著臺(tái)積電作為代工廠，3D SoC技術(shù)將在2019年進(jìn)入市場(chǎng)?；旌湘I合作為所使用的互聯(lián)技術(shù)處于有利位置。你們的技術(shù)是否適用于邏輯W2W或D2W堆疊的存儲(chǔ)？

PE：W2W和D2W方案中的Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術(shù)，都適用于邏輯堆疊應(yīng)用中的3D SoC和存儲(chǔ)器。早期的一個(gè)例子還是圖像傳感器市場(chǎng)，其中存儲(chǔ)已經(jīng)與三層堆疊圖像傳感器中的邏輯堆疊，ZiBond直接鍵合提供了機(jī)械鍵合，TSV提供了電氣互聯(lián)。DBI混合鍵合也已經(jīng)可以用于實(shí)現(xiàn)這種類(lèi)型的集成。我們目前重點(diǎn)關(guān)注的3D堆疊DRAM的D2W研究，實(shí)際上與3D SoC直接相關(guān)。

DBI混合鍵合為3D SoC提供的令人興奮的功能，是能夠以與芯片內(nèi)互聯(lián)間距相媲美的間距，連接堆疊中的每個(gè)芯片。這可以消除I/O接口，實(shí)現(xiàn)芯片間與芯片內(nèi)互聯(lián)相當(dāng)?shù)男酒?jí)互聯(lián)。這對(duì)功耗、占位面積和金屬層減少具有積極意義。實(shí)現(xiàn)這種新設(shè)計(jì)方案的一個(gè)挑戰(zhàn)是改變?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中的2D思維。以3D堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)器件是一種架構(gòu)模式的轉(zhuǎn)變，利用DBI混合鍵合可以實(shí)現(xiàn)很多3D SoC優(yōu)勢(shì)。

MI：顯示和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)（AR/VR/MR）市場(chǎng)需要高互聯(lián)密度來(lái)連接顯示器及其驅(qū)動(dòng)，混合鍵合技術(shù)是否與這些市場(chǎng)和應(yīng)用兼容？

PE：Invensas DBI混合鍵合也非常適合顯示和AR/VR/MR市場(chǎng)。這些市場(chǎng)的常見(jiàn)應(yīng)用是在邏輯驅(qū)動(dòng)陣列層上堆疊光學(xué)發(fā)射器陣列層，這類(lèi)似于在圖像傳感器應(yīng)用的邏輯讀出陣列層上堆疊光學(xué)探測(cè)器陣列層。DBI混合鍵合可以支持低至1um的互聯(lián)間距，這些應(yīng)用可能需要使用當(dāng)前或即將推出的新設(shè)備。此外，這些光學(xué)發(fā)射器市場(chǎng)通常需要非硅發(fā)射器材料，例如GaN，這類(lèi)材料具有與硅顯著不同的熱膨脹系數(shù)。這可以通過(guò)DBI混合鍵合工藝的低熱預(yù)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，這與其他具有較高熱預(yù)算的鍵合技術(shù)不同，這些技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足這些市場(chǎng)和應(yīng)用的需求。

MI：W2W組裝以及混合鍵合是純代工業(yè)務(wù)，搶奪了外包半導(dǎo)體封測(cè)廠商（OSAT）先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)的營(yíng)收。您是否看到OSAT廠商嘗試在這個(gè)領(lǐng)域重新尋求市場(chǎng)定位？

PE：Invensas DBI混合鍵合的低擁有成本和高附加值，使其成為有意提高利潤(rùn)并擴(kuò)大供應(yīng)能力的OSAT廠商的理想候選技術(shù)。尤其是D2W DBI混合鍵合技術(shù)即將商業(yè)化，為OSAT利用其高度相關(guān)的芯片處理經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)提供了機(jī)遇。

關(guān)于Xperi

Xperi公司以及旗下全資子公司DTS、FotoNation、Invensas 及 Tessera致力于打造各種創(chuàng)新技術(shù)方案，為全球消費(fèi)者呈現(xiàn)獨(dú)一無(wú)二的體驗(yàn)。數(shù)百家全球領(lǐng)先的合作伙伴獲得了Xperi解決方案的授權(quán)，數(shù)十億件授權(quán)產(chǎn)品遍布全球，產(chǎn)品范圍涵蓋音頻、廣播、計(jì)算成像、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、移動(dòng)計(jì)算和通訊、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、3D半導(dǎo)體互聯(lián)和封裝等領(lǐng)域。