2012年3D芯片可望實(shí)現(xiàn)商用化 - 全文

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　　隨著目前平面化的芯片開(kāi)始出現(xiàn)多層式結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體制造的基礎(chǔ)將在未來(lái)幾年發(fā)生轉(zhuǎn)變。在全球主要的半導(dǎo)體工程領(lǐng)域花費(fèi)近十年的時(shí)間致力于使得這種結(jié)構(gòu)實(shí)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(kāi)始商用化──但這其實(shí)也已經(jīng)遠(yuǎn)落后于先前規(guī)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3D IC互連的TSV技術(shù)更加完善?，F(xiàn)在，TSV已經(jīng)可針對(duì)2D作業(yè)實(shí)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(shí)代即將來(lái)臨。

　　去年冬天所舉行的國(guó)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(jì)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(tǒng)級(jí)封裝(SiP)上的微凸塊密切配合。

　　預(yù)計(jì)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(jí)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-7 FPGA與硅晶內(nèi)插器上的微凸塊實(shí)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(tái)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(guò)渡技術(shù)。

　　然而，2011年所發(fā)布最令人驚喜的3D IC消息來(lái)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(dòng)消費(fèi)電子設(shè)備的成熟3D IC，不過(guò)使用的仍是低密度的TSV技術(shù)。由于累積了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)，IBM聲稱目前已掌握了3D的其它工程障礙，并預(yù)計(jì)能在2012年時(shí)克服這些挑戰(zhàn)。

　　“憑借一招半式闖天涯的時(shí)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(luò)、軟件或整合，就無(wú)法在3D性能戰(zhàn)中取得勝算。為了要在3D戰(zhàn)場(chǎng)上致勝，就必須盡可能地同時(shí)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(shè)計(jì)材料──這種材料可望解決3D IC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，也是一種類似電介質(zhì)的電絕緣體，但比硅晶的導(dǎo)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(jìn)行試驗(yàn)，希望能在2013年以前發(fā)展出一個(gè)可行的方案，以實(shí)現(xiàn)廣泛的商用化，”3M公司電子市場(chǎng)材料部門的技術(shù)總監(jiān)程明說(shuō)。

　　然而，對(duì)于IBM-3M共同開(kāi)發(fā)的努力能否使雙方公司處于3D IC競(jìng)賽的領(lǐng)先位置，一些分析師們對(duì)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，”MEMS Investor Journal先進(jìn)封裝技術(shù)的首席分析師Francoise von Trapp說(shuō)?！半m然這絕對(duì)是在3D IC量產(chǎn)前必需解決的挑戰(zhàn)之一，但我認(rèn)為它不見(jiàn)得就是解決3D堆棧其余問(wèn)題的最后關(guān)鍵?！?/p>

　　3D無(wú)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(chǎng)上也不乏其它競(jìng)爭(zhēng)廠商。事實(shí)上，美國(guó)Tezzaron Semiconductor已經(jīng)為其鎢TSV制程提供3D IC設(shè)計(jì)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Wide I/O。

　　連續(xù)創(chuàng)業(yè)的企業(yè)家Zvi Or-Bach指出，3D IC設(shè)計(jì)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?yàn)樗罱€成為了IP開(kāi)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(dāng)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(dǎo)體公司都專注于這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)?！癐BM公司更挑戰(zhàn)該技術(shù)極限，透過(guò)與3M公司的合作以尋求超越當(dāng)前架構(gòu)的其它可能性。然而，IBM在3D方面取得的每項(xiàng)進(jìn)展也將激起像三星(Samsung)、英特爾(Intel)與臺(tái)積電等競(jìng)爭(zhēng)廠商的創(chuàng)造力，這些廠商們都已在3D IC方面各自展開(kāi)相關(guān)開(kāi)發(fā)工作，”市場(chǎng)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(kāi)發(fā)的，而當(dāng)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?cái)?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(shí)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(gè)小型DRAM--但通常是使用焊線接合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)互連。

　　從焊線接合過(guò)渡到TSV的方式，使得互連更為密集。它還讓設(shè)計(jì)者們免于嚴(yán)格的矩形布局要求，讓他們能像設(shè)計(jì)電路板一樣地進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。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(gè)系統(tǒng)可組合成一個(gè)單一的硅晶塊。

　　“3D IC最重要的是帶來(lái)一個(gè)擺脫農(nóng)場(chǎng)般架構(gòu)的機(jī)會(huì)，每個(gè)芯片分割為毗鄰的矩形區(qū)域，”Doherty說(shuō)?！?D芯片設(shè)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(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(shè)計(jì)新思維。設(shè)計(jì)人員們現(xiàn)在能以創(chuàng)新的方式來(lái)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這在過(guò)去一切都得并排設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

　　全球主要的的半導(dǎo)體組織都為3D技術(shù)展開(kāi)各種標(biāo)準(zhǔn)建立工作。國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)成立了四個(gè)致力于3D IC標(biāo)準(zhǔn)制定的工作小組。此外，其3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)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、***工研院(ITRI)、Olympus、高通(Qualcomm)、Semilab、Tokyo Electron與賽靈思等公司。

　　半導(dǎo)體制造聯(lián)盟(Sematech)已經(jīng)成立了一個(gè)3D芯片設(shè)計(jì)中心。參與成員包括Altera、ADI、LSI、安森美半導(dǎo)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(shè)置一條300毫米的3D IC試產(chǎn)線。

　　比利時(shí)微子研究中心(IMEC)與Cascade Microtech公司合作為3D IC進(jìn)行測(cè)試與特征化。德國(guó)研究機(jī)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(gè)3D IC聯(lián)盟，目前已有超過(guò)20家成員聯(lián)盟。聯(lián)盟中的許多廠商們均可望從明年初開(kāi)始提供端至端的3D IC代工服務(wù)。

　　今年九月，在國(guó)際半導(dǎo)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(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(dá)(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(jìn)展，該合作團(tuán)隊(duì)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(huì)(JEDEC)可望在今年底前率先為3D IC開(kāi)發(fā)出Wide I/O標(biāo)準(zhǔn)。JEDEC規(guī)格將支持512位寬的接口。

　　法國(guó)半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)CEA-LETI與意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)和硅晶內(nèi)插器制造商Shinko Electric Industries Co.共同合作，以推動(dòng)2.5D至3D IC的順利過(guò)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(yù)計(jì)最早在2012年推出商用化設(shè)計(jì)。

　　歐洲CMOSAIC項(xiàng)目則展開(kāi)更長(zhǎng)程的計(jì)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(xiàng)四年期的計(jì)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(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)以及蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)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(chǎng)

　　IBM + 3M = 3D芯片。這已經(jīng)是一個(gè)瑯瑯上口的公式。“在這項(xiàng)合作計(jì)劃中，3M公司提供了可實(shí)現(xiàn)3D的技術(shù)平臺(tái)，”IBM公司研究副總裁Bernard Meyerson說(shuō)。

　　經(jīng)過(guò)多年研究實(shí)現(xiàn)3D IC所需的每項(xiàng)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(shí)用來(lái)作為電絕緣體和熱導(dǎo)體，并從熱點(diǎn)耗散熱。IBM打算使用這種材料來(lái)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(shuō)。 “我們既想要有無(wú)限的導(dǎo)熱接合劑，也想要電導(dǎo)率為零。”

　　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(shí)將破壞金屬化特性。

　　“熱導(dǎo)率、電導(dǎo)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(tǒng)。”

　　3M電子市場(chǎng)材料部技術(shù)總監(jiān)程明說(shuō)，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。”

　　根據(jù)3M公司表示，該公司尚未決定這款共同開(kāi)發(fā)的3D IC接合劑是否將會(huì)出售給其它芯片制造商。但根據(jù)IBM過(guò)去的做法，該公司甚至?xí)?duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手授權(quán)其關(guān)鍵專利。

　　3M公司也擁有目前機(jī)架式計(jì)算機(jī)用于冷卻熱點(diǎn)的流體開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)──那些流體可能會(huì)快速地流經(jīng)微流體通道而進(jìn)入3D IC中。Meyerson說(shuō)：“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(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(xiàn)有的Fluorinert電子氟化液針對(duì)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器與硬盤，協(xié)助其冷卻設(shè)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3D IC的液體?！?/p>

? ? ? ? ?除了使制程技術(shù)更加精煉，以實(shí)現(xiàn)堆棧芯片的互連與維持冷卻狀態(tài)外，設(shè)計(jì)人員們還必須思考可能從3D IC串流而出的數(shù)據(jù)量。在這方面，光子將成為3D IC處理大量I/O時(shí)不可分割的一部份。

　　“目前的電子數(shù)據(jù)傳輸可能消耗高達(dá)50%的芯片功率。而光子在每位瓦數(shù)方面具備更高能效，將成為3D IC的基本要素?！盡eyerson指出，“在堆棧3D IC時(shí)，我們將會(huì)需要用到激光器、諧調(diào)器和偵測(cè)器?！?/p>

　　雖然3M與IBM合作的消息不久前才對(duì)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(tǒng)(Wafer Support System;WSS)簡(jiǎn)化專為堆棧而磨薄晶圓的處理過(guò)程。

　　WSS系統(tǒng)“首先以臨時(shí)黏著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，“接著，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?！?/p>

　　預(yù)計(jì)在2013年以前，3M公司和IBM公司可望準(zhǔn)備好這款端對(duì)端制程方案，為有如硅晶摩天大樓般堆棧高達(dá)100層芯片的處理器、內(nèi)存、混合訊號(hào)、連網(wǎng)與I/O等異質(zhì)性芯片堆棧實(shí)現(xiàn)廣泛的商用化量產(chǎn)。

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　　1 三星在ISSCC上發(fā)表針對(duì)智慧手機(jī)與平板計(jì)算機(jī)的Wide I/O 1Gbit DRAM。該組件采用可與微凸塊接合的3D TSV。圖片來(lái)源：三星電子

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　　2 賽靈思使用TSV接合C4焊接凸點(diǎn)以及硅晶內(nèi)插器上的四顆FPGA。圖片來(lái)源：Xilinx

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　　3 IBM公司展示3D IC未來(lái)將如何在相同硅磚上層迭處理器、內(nèi)存與光學(xué)網(wǎng)絡(luò)等組件。