2012年3D芯片可望實現(xiàn)商用化

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　　隨著目前平面化的芯片開始出現(xiàn)多層式結(jié)構(gòu)，半導體制造的基礎(chǔ)將在未來幾年發(fā)生轉(zhuǎn)變。在全球主要的半導體工程領(lǐng)域花費近十年的時間致力于使得這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可制造化之后，立體的三維芯片(3D IC)終于可望在明年開始商用化──但這其實也已經(jīng)遠落后于先前規(guī)劃的時程多年了。

　　過去幾年來，芯片制造商們一直在努力地使與3D IC互連的TSV技術(shù)更加完善。現(xiàn)在，TSV已經(jīng)可針對2D作業(yè)實現(xiàn)最佳化了，例如從平面芯片的正面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)到背面的微凸塊，采用堆棧芯片的3D IC時代即將來臨。

　　去年冬天所舉行的國際固態(tài)電路會議(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DRAM，并計劃在2013年前量產(chǎn)4Gbit芯片。透過三星的2.5D技術(shù)，可使采用TSV的堆棧DRAM與系統(tǒng)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，它透過封裝技術(shù)而使四個平行排列的Virtex-7 FPGA與硅晶內(nèi)插器上的微凸塊實現(xiàn)互連。***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(nèi)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提供這種突破性的2.5D 至3D過渡技術(shù)。

　　然而，2011年所發(fā)布最令人驚喜的3D IC消息來自于IBM公司。該公司最近透露已經(jīng)秘密地大規(guī)模生產(chǎn)可用于大量行動消費電子設備的成熟3D IC，不過使用的仍是低密度的TSV技術(shù)。由于累積了相當?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗，IBM聲稱目前已掌握了3D的其它工程障礙，并預計能在2012年時克服這些挑戰(zhàn)。

　　“憑借一招半式闖天涯的時代已經(jīng)結(jié)束了，”IBM公司研究副總裁Bernard Meyerson指出，“如果只想依賴于某種材料、芯片架構(gòu)、網(wǎng)絡、軟件或整合，就無法在3D性能戰(zhàn)中取得勝算。為了要在3D戰(zhàn)場上致勝，就必須盡可能地同時使用所有的資源?！?/p>

　　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3D IC最后剩余的工程障礙：過熱問題。3M公司的任務在于創(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(nèi)使這種神奇的材料商用化。

　　“現(xiàn)在，我們一直在進行試驗，希望能在2013年以前發(fā)展出一個可行的方案，以實現(xiàn)廣泛的商用化，”3M公司電子市場材料部門的技術(shù)總監(jiān)程明說。

　　然而，對于IBM-3M共同開發(fā)的努力能否使雙方公司處于3D IC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堆棧解決散熱問題的填充材料，”MEMS Investor Journal先進封裝技術(shù)的首席分析師Francoise von Trapp說。“雖然這絕對是在3D IC量產(chǎn)前必需解決的挑戰(zhàn)之一，但我認為它不見得就是解決3D堆棧其余問題的最后關(guān)鍵?！?/p>

　　3D無處不在

　　即使IBM公司聲稱已在3D IC生產(chǎn)方面領(lǐng)先，但市場上也不乏其它競爭廠商。事實上，美國Tezzaron Semiconductor已經(jīng)為其鎢TSV制程提供3D IC設計服務多年了。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TSV深次微米互連的密度為堆棧DRAM提供Wide I/O。

　　連續(xù)創(chuàng)業(yè)的企業(yè)家Zvi Or-Bach指出，3D IC設計的焦點必須跳脫TSV至超高密度的單片式3D。Or-Bach會這么說，一點都不令人意外，因為他最近還成為了IP開發(fā)公司MonolithIC 3D Inc.的總裁兼CEO。另一家新創(chuàng)的BeSang公司也聲稱即將制造出不必使用TSV技術(shù)的單片式3D內(nèi)存原型芯片，可望在2012年首次亮相。

　　然而，當今最先進的技術(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注于這項技術(shù)的研發(fā)?！癐BM公司更挑戰(zhàn)該技術(shù)極限，透過與3M公司的合作以尋求超越當前架構(gòu)的其它可能性。然而，IBM在3D方面取得的每項進展也將激起像三星(Samsung)、英特爾(Intel)與臺積電等競爭廠商的創(chuàng)造力，這些廠商們都已在3D IC方面各自展開相關(guān)開發(fā)工作，”市場觀察公司The Envisioneering Group總監(jiān)Richard Doherty表示。

　　用于制造3D IC的技術(shù)并不是最近才開發(fā)的，而當今的工作重點在進于一步提升這些技術(shù)。例如，目前許多 CMOS成像器以TSV將畫素數(shù)據(jù)從基板前面?zhèn)髦帘趁?，而芯片堆棧的概念可追溯?a target="_blank">晶體管先驅(qū)William Shockley早在1958年時的專利。此后，堆棧芯片的配置常常被加以利用──例如在ASIC上堆棧MEMS傳感器，或在處理器核心上堆棧一個小型DRAM--但通常是使用焊線接合的方式來實現(xiàn)互連。

　　從焊線接合過渡到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行芯片設計。缺乏電路的地區(qū)則可用于其它結(jié)構(gòu)，如垂直互連總線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，讓整個系統(tǒng)可組合成一個單一的硅晶塊。

　　“3D IC最重要的是帶來一個擺脫農(nóng)場般架構(gòu)的機會，每個芯片分割為毗鄰的矩形區(qū)域，”Doherty說?！?D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，而是開始從芯片上切割出正方形、三角形和圓形以實現(xiàn)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(xiàn)在能以創(chuàng)新的方式來結(jié)合CPU、內(nèi)存與I/O功能，使他們必須采取不同的思考方式來進行設計。這在過去一切都得并排設計的傳統(tǒng)方式是無法實現(xiàn)的?！?/p>

　　全球主要的的半導體組織都為3D技術(shù)展開各種標準建立工作。國際半導體設備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)成立了四個致力于3D IC標準制定的工作小組。此外，其3DS-IC標準委員會包括SEMI會員Globalfoundries、HP、IBM、英特爾、三星與聯(lián)華電子(UMC)，以及Amkor、ASE、歐洲的IMEC、***工研院(ITRI)、Olympus、高通(Qualcomm)、Semilab、Tokyo Electron與賽靈思等公司。

　　半導體制造聯(lián)盟(Sematech)已經(jīng)成立了一個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阿爾巴尼分?？茖W與工程院設置一條300毫米的3D IC試產(chǎn)線。

　　比利時微子研究中心(IMEC)與Cascade Microtech公司合作為3D IC進行測試與特征化。德國研究機構(gòu)Fraunhofer IZM表示可望在2014年以前將處理器、內(nèi)存、邏輯、模擬、MEMS和RF芯片整合于單片式3D IC中。

　　***工研院贊助成立了一個3D IC聯(lián)盟，目前已有超過20家成員聯(lián)盟。聯(lián)盟中的許多廠商們均可望從明年初開始提供端至端的3D IC代工服務。

　　今年九月，在國際半導體展(Semicon)的3D IC技術(shù)論壇中，英特爾表示正致力于堆棧3D IC的開發(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(jù)稱其與力成科技(Powertech Technology)和聯(lián)電在2Gbit DRAM的共同研發(fā)上己取得了進展，該合作團隊采用了以高密度TSV連結(jié)的堆棧DDR3芯片。

　　聯(lián)合電子裝置工程協(xié)會(JEDEC)可望在今年底前率先為3D IC開發(fā)出Wide I/O標準。JEDEC規(guī)格將支持512位寬的接口。

　　法國半導體研究機構(gòu)CEA-LETI與意法半導體(STMicroelectronics)和硅晶內(nèi)插器制造商Shinko Electric Industries Co.共同合作，以推動2.5D至3D IC的順利過渡。該合作小組現(xiàn)于一座300毫米晶圓制造廠生產(chǎn)原型組件，預計最早在2012年推出商用化設計。

　　歐洲CMOSAIC項目則展開更長程的計劃，期望在2013年以前找到冷卻單片式3D IC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)邦理工學院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)以及蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學院(the Swiss Federal Institute of Technology Zurich)等組織的共同參與。

　　Sidebar：IBM與3M攜手搶攻3D IC市場

　　IBM + 3M = 3D芯片。這已經(jīng)是一個瑯瑯上口的公式?！霸谶@項合作計劃中，3M公司提供了可實現(xiàn)3D的技術(shù)平臺，”IBM公司研究副總裁Bernard Meyerson說。

　　經(jīng)過多年研究實現(xiàn)3D IC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(jù)IBM表示，影響3D IC發(fā)展的關(guān)鍵障礙是一種未填充的材料，它可同時用來作為電絕緣體和熱導體，并從熱點耗散熱。IBM打算使用這種材料來接合3D結(jié)構(gòu)上包含冷卻劑的微流體通道。

　　“3M公司的技術(shù)能夠滿足3D IC接合的真正不同需求，”Meyerson說。 “我們既想要有無限的導熱接合劑，也想要電導率為零?！?/p>

　　根據(jù)Meyerson表示，最不利的限制是接合劑的熱膨脹系數(shù)必須與用于互連的金屬配合;否則，接合劑加熱時將破壞金屬化特性。

　　“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。這就是我們所謂過度受限的系統(tǒng)?！?/p>

　　3M電子市場材料部技術(shù)總監(jiān)程明說，3M“基本上是一家有能力調(diào)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(guī)范需求。我們的接合劑將結(jié)合不同類型的聚合物、低聚物和單體，以及必備的觸角與粘著劑，以滿足IBM的規(guī)格需求?！?/p>

　　根據(jù)3M公司表示，該公司尚未決定這款共同開發(fā)的3D IC接合劑是否將會出售給其它芯片制造商。但根據(jù)IBM過去的做法，該公司甚至會對競爭對手授權(quán)其關(guān)鍵專利。

　　3M公司也擁有目前機架式計算機用于冷卻熱點的流體開發(fā)經(jīng)驗──那些流體可能會快速地流經(jīng)微流體通道而進入3D IC中。Meyerson說：“就算你擁有著完美的接合劑，也可能必須排除較高堆棧內(nèi)層的熱量。透過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?！?/p>

　　程明表示：“我們現(xiàn)有的Fluorinert電子氟化液針對數(shù)據(jù)中心的服務器與硬盤，協(xié)助其冷卻設備進行散熱，但與IBM的合作上，我們還將探索用于協(xié)助冷卻3D IC的液體?！?/p>