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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>
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