各大廠商傾力開(kāi)發(fā)，芯片立體堆疊技術(shù)應(yīng)用在即

　　TSV立體堆疊技術(shù)已在各式應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中嶄露頭角。TSV堆疊技術(shù)應(yīng)用于DRAM、FPGA、無(wú)線設(shè)備等應(yīng)用上，可提升其效能并維持低功耗，因而獲得半導(dǎo)體廠及類(lèi)比元件廠的青睞，盡管如此，若要加速TSV技術(shù)于市場(chǎng)上應(yīng)用的速度，仍須仰賴代工廠、IP供應(yīng)商、EDA廠與封測(cè)代工廠的共同合作。

　　上一期文章已針對(duì)影像感應(yīng)器、功率放大器與處理器等產(chǎn)品分析過(guò)如何應(yīng)用矽穿孔（TSV）做立體堆疊時(shí)的現(xiàn)況與預(yù)測(cè)，因此本期將延續(xù)上期的討論，再涵蓋當(dāng)紅的商品應(yīng)用，讓讀者可以更清楚未來(lái)的走勢(shì)。

　　TSV搶進(jìn)熱門(mén)應(yīng)用市場(chǎng)

　　今日的可攜式設(shè)備幾乎把所有的事放在掌心中，只要按一個(gè)鈕，便可以瀏覽網(wǎng)際網(wǎng)路、收發(fā)郵件、觀看高畫(huà)質(zhì)電視或使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等服務(wù)。多媒體的需求愈來(lái)愈多，也讓設(shè)計(jì)愈來(lái)愈復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員無(wú)不希望在持續(xù)縮小的接腳結(jié)構(gòu)中取得更好的功能，但耗電要變少。

　　由于可攜式運(yùn)算需求愈來(lái)愈急迫，業(yè)界便開(kāi)始追求更進(jìn)階的記憶體技術(shù)，讓可攜式設(shè)備擁有支援三維（3D）立體游戲以及家庭劇院標(biāo)準(zhǔn)1，080p，每秒六十個(gè)影格的影音設(shè)備等能力。在2013年，可攜式設(shè)備系統(tǒng)單晶片（SoC）的設(shè)計(jì)將須要超過(guò)10Gbit/s的記憶體頻寬之效能規(guī)格。另外，在可攜式產(chǎn)業(yè)尋求更好的記憶體技術(shù)并改善接腳尺寸的前提下，應(yīng)用TSV的3D IC概念提升耗電與效能并且同時(shí)顧慮成本效益將是一個(gè)可行方向（圖1）。

　　圖1 應(yīng)用堆疊晶片與TSV技術(shù)的3D IC封裝技術(shù)藍(lán)圖

　　對(duì)于寬輸入/輸出（Wide I/O）介面而言，應(yīng)用TSV堆疊動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體（DRAM）在邏輯晶片上，可在每位元耗電只有一半的情況下，比LPDDR2技術(shù)的效能要快上二到四倍，這對(duì)業(yè)者而言，確實(shí)是有很大的誘因，以下說(shuō)明目前的應(yīng)用現(xiàn)況。

　　應(yīng)用于DRAM

　　在DRAM記憶體上，爾必達(dá)（Elpida）、三星（Samsung）與美光（Micron），目前都已開(kāi)始供應(yīng)使用TSV堆疊的DRAM樣本，這三家公司與恩益禧（NEC）、Oki Electric一齊發(fā)表了不少堆疊的概念，之所以使用這個(gè)技術(shù)來(lái)堆疊DRAM，主要當(dāng)然是為了效能、省電與尺寸大小等優(yōu)勢(shì)。

　　IBM的研究指出，當(dāng)想要擴(kuò)充DDP（Dual Die Package）以便支援1，333Mbit/s甚至到1，600Mbit/s的時(shí)候，最終將會(huì)須要用到TSV技術(shù)，因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)可以不使用打線鍵合（Wire Bonding），而讓DRAM堆疊封裝尺寸更小，并且具有更快的資料傳輸能力和頻寬。

　　已宣布破產(chǎn)的爾必達(dá)，早在2009年時(shí)就已成功開(kāi)發(fā)出多層銅TSV堆疊的8Gb DRAM記憶體，這個(gè)DDR3 SDRAM可以有1，600Mbit/s的運(yùn)作速率，且在核心層間有1，030個(gè)互連（單一封裝中有8，357個(gè)凸塊互連，包含介面層），這個(gè)封裝高度最大僅1.3毫米（mm），里面包含八個(gè)核心層與一個(gè)介面層，目前8Gb TSV DRAM已開(kāi)始提供，而且很快便可以看到16Gb的產(chǎn)品（八層各2Gb的DRAM產(chǎn)品）出現(xiàn)。

　　以一個(gè)整合元件制造商（IDM）而言，三星比誰(shuí)都有能力來(lái)進(jìn)行3D IC的開(kāi)發(fā)，市場(chǎng)消息指出，多年來(lái)三星已將3D封裝技術(shù)推展至不同的應(yīng)用上，目前他們的3D DRAM結(jié)構(gòu)可以支援四個(gè)Rank的動(dòng)作，含一個(gè)主控端（Master）與三個(gè)從屬端（Slave）晶片，并使用將近三百個(gè)TSV，這個(gè)元件可以支援功能模組化，且提供緩沖模組的解決方案，其中Master晶片是一個(gè)具有四片2Gb的DDR3 DRAM，且另有多Rank的控制回路，而Slave晶片都有2Gb的記憶體核心與晶圓級(jí)測(cè)試回路，這個(gè)元件的密度共8Gb，且每個(gè)堆疊都可以形成一個(gè)Rank，Master晶片可以當(dāng)成可絕緣通道（Channel）與Slave晶片間的緩沖區(qū)，于是若在有四個(gè)Rank/Module與兩個(gè)Module/Channel的結(jié)構(gòu)下，可以讓輸入/輸出資料傳輸快到1，600Mbit/s，然而若是以傳統(tǒng)的QDP（Quad Die Package）結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行，傳輸速率則只能到1，066Mbit/s。

　　追求高效能電腦設(shè)備的制造業(yè)如伺服器制造商也對(duì)于TSV技術(shù)的改善空間非常感興趣。根據(jù)IBM的說(shuō)法，伺服器記憶體容量是以每代至少兩倍的速度成長(zhǎng)，而由于消費(fèi)者對(duì)系統(tǒng)體積愈小愈好的偏好，限制了記憶體插槽的總數(shù)量，也讓記憶體模組密度須要設(shè)法往上提升，其中一個(gè)好方法，就是使用3D TSV技術(shù)制造伺服器的DRAM高階應(yīng)用。

　　JEDEC固態(tài)技術(shù)聯(lián)盟在2012年宣布一個(gè)新的行動(dòng)DRAM標(biāo)準(zhǔn)--JESD229 Wide I/O Single Data Rate（SDR）。由于Wide I/O行動(dòng)DRAM是一項(xiàng)突破性技術(shù)，可滿足產(chǎn)業(yè)在增加整合層次與改善頻寬、延遲（Latency）、供電、重量與尺寸上的需求，因而可以讓智慧型手機(jī)、平板電腦、手持游戲機(jī)及其他可攜式元件得到效能、省電與縮小尺寸等的終極表現(xiàn)，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要訴求在于使用TSV的3D堆疊能力，把記憶體晶片直接堆疊互連到一個(gè)系統(tǒng)單晶片上時(shí)所需的標(biāo)準(zhǔn)，其定義出相關(guān)的屬性、功能、交流（AC）與直流（DC）值以及Ball/Signal配置，特別適用需要極佳耗電效能與更大的記憶體頻寬（最大到17GB/s）之應(yīng)用，應(yīng)用實(shí)例包括3D游戲、高解析度視訊檔，或同時(shí)須要執(zhí)行多重應(yīng)用等，比起前一代的標(biāo)準(zhǔn)LPDDR2，在相同的耗電水準(zhǔn)下，Wide I/O的頻寬約兩倍。

　　瞄準(zhǔn)FPGA市場(chǎng)

　　使用3D結(jié)構(gòu)在邏輯元件上的優(yōu)點(diǎn)，最有利的證據(jù)就在現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列（FPGA）的應(yīng)用上。傳統(tǒng)FPGA包含一堆簡(jiǎn)單又可程式化的邏輯元件陣列，并且有可程式化的互連結(jié)構(gòu)，因此可按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的需求來(lái)規(guī)畫(huà)邏輯區(qū)塊的相連結(jié)構(gòu)，但FPGA的效能會(huì)被占了晶片面積90%的互連結(jié)構(gòu)所限制住，且會(huì)造成40%？80%的元件延遲。

　　3D整合的技術(shù)于是找到了這個(gè)施力點(diǎn)，因其可協(xié)助FPGA把可程式化的互連結(jié)構(gòu)從邏輯區(qū)塊中移除，轉(zhuǎn)而置放于堆疊體的其他層，因而減少原先的互連延遲現(xiàn)象，但是否可在FPGA上采用3D TSV，則仍須視晶圓代工廠是否有對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)工具以及在300毫米晶圓應(yīng)用TSV的能力而定。

　　業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)也是另一個(gè)問(wèn)題，舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于在3D的設(shè)計(jì)上是要發(fā)展可制造性設(shè)計(jì)（DFM）或可測(cè)性設(shè)計(jì)（DFT）的標(biāo)準(zhǔn)，也仍然引起許多的討論。美國(guó)電機(jī)暨電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）的3D Test Working Group提出IEEE 1838標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容是希望可以在3D元件中定義出可當(dāng)作測(cè)試架構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與描述語(yǔ)言，這個(gè)測(cè)試架構(gòu)非常關(guān)鍵，因?yàn)槠淇梢栽贗C制程中用來(lái)測(cè)試與確認(rèn)3D元件的品質(zhì)，對(duì)于FPGA應(yīng)用3D技術(shù)非常關(guān)鍵。

　　強(qiáng)化無(wú)線設(shè)備性能

　　供應(yīng)無(wú)線設(shè)備的公司將TSV視為想增加處理器效能、強(qiáng)化處理器與記憶體間資料交換頻寬、改善資料存取耗電、限制電池耗電、低成本與小型化等優(yōu)勢(shì)時(shí)最具潛力的解決方案。

　　但目前的封裝技術(shù)都較局限于使用打線接合或覆晶技術(shù)來(lái)做立體堆疊，在某些應(yīng)用上，也會(huì)傾向于使用PoP（Package on Package）或PiP（Package in Package）等技術(shù)，而CoC（Chip on Chip）也因無(wú)法完全滿足所有需求，而只被采用于部分應(yīng)用中，因此在這方面的應(yīng)用上，未來(lái)有絕對(duì)的市場(chǎng)空間可以發(fā)展。

　　除了以上的應(yīng)用外，TSV還引起其他半導(dǎo)體廠的興趣，舉例來(lái)說(shuō)，類(lèi)比元件供應(yīng)商也規(guī)畫(huà)使用TSV，其主要是為了縮短設(shè)計(jì)時(shí)程，以便快速上市（約18個(gè)月），這主要是因?yàn)橛鞋F(xiàn)存的設(shè)計(jì)工具還可以沿用，而TSV連接元件時(shí)，也可以混用各種技術(shù)或使用不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)（Technology Node），例如晶片部分可使用130奈米（nm）節(jié)點(diǎn)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，也可以在其他部分應(yīng)用45奈米技術(shù)來(lái)進(jìn)行，在這樣的情況下會(huì)有不錯(cuò)的綜效，例如可以最佳化數(shù)位元件的技術(shù)，卻不一定可以最佳化類(lèi)比元件，混合使用不同節(jié)點(diǎn)則可以順帶改善整合的彈性。

　　另外，由于晶片互連的總長(zhǎng)會(huì)縮短，且擁有較低的電容，因此也能降低更多的耗電，并且改善速度效能。但是，TSV應(yīng)用在混合數(shù)位與類(lèi)比元件下的缺點(diǎn)，則可能包含在類(lèi)比晶片與高頻數(shù)位元件間，存在電磁與射頻（RF）的相互干擾現(xiàn)象。接著，討論目前這幾項(xiàng)應(yīng)用在市場(chǎng)上的預(yù)測(cè)值資料。