各大廠商傾力開發(fā)，芯片立體堆疊技術應用在即 - 全文

　　TSV立體堆疊技術已在各式應用領域當中嶄露頭角。TSV堆疊技術應用于DRAM、FPGA、無線設備等應用上，可提升其效能并維持低功耗，因而獲得半導體廠及類比元件廠的青睞，盡管如此，若要加速TSV技術于市場上應用的速度，仍須仰賴代工廠、IP供應商、EDA廠與封測代工廠的共同合作。

　　上一期文章已針對影像感應器、功率放大器與處理器等產品分析過如何應用矽穿孔（TSV）做立體堆疊時的現(xiàn)況與預測，因此本期將延續(xù)上期的討論，再涵蓋當紅的商品應用，讓讀者可以更清楚未來的走勢。

　　TSV搶進熱門應用市場

　　今日的可攜式設備幾乎把所有的事放在掌心中，只要按一個鈕，便可以瀏覽網際網路、收發(fā)郵件、觀看高畫質電視或使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等服務。多媒體的需求愈來愈多，也讓設計愈來愈復雜，設計人員無不希望在持續(xù)縮小的接腳結構中取得更好的功能，但耗電要變少。

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

　　圖1 應用堆疊晶片與TSV技術的3D IC封裝技術藍圖

　　對于寬輸入/輸出（Wide I/O）介面而言，應用TSV堆疊動態(tài)隨機存取記憶體（DRAM）在邏輯晶片上，可在每位元耗電只有一半的情況下，比LPDDR2技術的效能要快上二到四倍，這對業(yè)者而言，確實是有很大的誘因，以下說明目前的應用現(xiàn)況。

　　應用于DRAM

　　在DRAM記憶體上，爾必達（Elpida）、三星（Samsung）與美光（Micron），目前都已開始供應使用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，之所以使用這個技術來堆疊DRAM，主要當然是為了效能、省電與尺寸大小等優(yōu)勢。

　　IBM的研究指出，當想要擴充DDP（Dual Die Package）以便支援1，333Mbit/s甚至到1，600Mbit/s的時候，最終將會須要用到TSV技術，因為該項技術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。

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

　　以一個整合元件制造商（IDM）而言，三星比誰都有能力來進行3D IC的開發(fā)，市場消息指出，多年來三星已將3D封裝技術推展至不同的應用上，目前他們的3D DRAM結構可以支援四個Rank的動作，含一個主控端（Master）與三個從屬端（Slave）晶片，并使用將近三百個TSV，這個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測試回路，這個元件的密度共8Gb，且每個堆疊都可以形成一個Rank，Master晶片可以當成可絕緣通道（Channel）與Slave晶片間的緩沖區(qū)，于是若在有四個Rank/Module與兩個Module/Channel的結構下，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）結構來進行，傳輸速率則只能到1，066Mbit/s。

　　追求高效能電腦設備的制造業(yè)如伺服器制造商也對于TSV技術的改善空間非常感興趣。根據(jù)IBM的說法，伺服器記憶體容量是以每代至少兩倍的速度成長，而由于消費者對系統(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法往上提升，其中一個好方法，就是使用3D TSV技術制造伺服器的DRAM高階應用。

　　JEDEC固態(tài)技術聯(lián)盟在2012年宣布一個新的行動DRAM標準--JESD229 Wide I/O Single Data Rate（SDR）。由于Wide I/O行動DRAM是一項突破性技術，可滿足產業(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、平板電腦、手持游戲機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)，而這個標準主要訴求在于使用TSV的3D堆疊能力，把記憶體晶片直接堆疊互連到一個系統(tǒng)單晶片上時所需的標準，其定義出相關的屬性、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）之應用，應用實例包括3D游戲、高解析度視訊檔，或同時須要執(zhí)行多重應用等，比起前一代的標準LPDDR2，在相同的耗電水準下，Wide I/O的頻寬約兩倍。

　　瞄準FPGA市場

　　使用3D結構在邏輯元件上的優(yōu)點，最有利的證據(jù)就在現(xiàn)場可編程閘陣列（FPGA）的應用上。傳統(tǒng)FPGA包含一堆簡單又可程式化的邏輯元件陣列，并且有可程式化的互連結構，因此可按照系統(tǒng)設計者的需求來規(guī)畫邏輯區(qū)塊的相連結構，但FPGA的效能會被占了晶片面積90%的互連結構所限制住，且會造成40%？80%的元件延遲。

　　3D整合的技術于是找到了這個施力點，因其可協(xié)助FPGA把可程式化的互連結構從邏輯區(qū)塊中移除，轉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應的設計工具以及在300毫米晶圓應用TSV的能力而定。

　　業(yè)界標準也是另一個問題，舉例來說，對于在3D的設計上是要發(fā)展可制造性設計（DFM）或可測性設計（DFT）的標準，也仍然引起許多的討論。美國電機暨電子工程師學會（IEEE）的3D Test Working Group提出IEEE 1838標準，這個標準的內容是希望可以在3D元件中定義出可當作測試架構的基礎結構與描述語言，這個測試架構非常關鍵，因為其可以在IC制程中用來測試與確認3D元件的品質，對于FPGA應用3D技術非常關鍵。

　　強化無線設備性能

　　供應無線設備的公司將TSV視為想增加處理器效能、強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)勢時最具潛力的解決方案。

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

　　除了以上的應用外，TSV還引起其他半導體廠的興趣，舉例來說，類比元件供應商也規(guī)畫使用TSV，其主要是為了縮短設計時程，以便快速上市（約18個月），這主要是因為有現(xiàn)存的設計工具還可以沿用，而TSV連接元件時，也可以混用各種技術或使用不同的技術節(jié)點（Technology Node），例如晶片部分可使用130奈米（nm）節(jié)點技術來設計，也可以在其他部分應用45奈米技術來進行，在這樣的情況下會有不錯的綜效，例如可以最佳化數(shù)位元件的技術，卻不一定可以最佳化類比元件，混合使用不同節(jié)點則可以順帶改善整合的彈性。

　　另外，由于晶片互連的總長會縮短，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應用在混合數(shù)位與類比元件下的缺點，則可能包含在類比晶片與高頻數(shù)位元件間，存在電磁與射頻（RF）的相互干擾現(xiàn)象。接著，討論目前這幾項應用在市場上的預測值資料。

　　TSV市場預測與評估

　　許多消費性應用須要使用TSV、中介層或可切入扇出型晶圓級封裝（FOWLP）做進階封裝，以便產生薄于50微米（μm）的超薄半導體晶圓，如供電元件絕緣閘雙極電晶體（IGBT）、RF與發(fā)光二極體（LED）。由于超薄晶圓較不穩(wěn)定、比傳統(tǒng)的更易碎、探針測試時易破，且在研磨與晶圓加工時易產生撓曲，因此需要新的暫時鍵合技術。

　　研究機構Yole找出至少六個使用載具暫時鍵合的技術，每一種在化學藥劑與載具等上，都有不同的特性，而暫時鍵合發(fā)展的目標是能夠降低成本、抗高溫與結構穩(wěn)定的問題，工具廠商、化學藥劑供應商與基板廠商都須要合作，以便達成這個目標，而部分如Nitto Denko、TOK與TEL則試著供應制程與化學材料。Yole預估暫時鍵合的市場將會在2011？2016年間，有五倍的市場成長，讓市值上探3億美元，需要暫時鍵合的晶圓，將會在2016年達到3千5百萬片。

　　導入新技術在還沒有商品化之前，可能無法得到任何即時好處，正如堆疊DRAM已進行了一段時間，但仍在商品化過程中遇到問題。讓應用TSV堆疊DRAM的商品延后上市時間的原因之一，便是對堆疊后的記憶體可靠度有所質疑。根據(jù)IBM的說法，TSV的封裝必須能夠考慮關鍵架構的整合效果，如TSV、微凸塊、D2D/基底接合、底部填充劑（Underfill）層以及重分布層（RDL）等，都必須有完善的搭配。

　　除此之外，晶片與封裝的關聯(lián)，是TSV DRAM封裝可靠度的關鍵，因為孔的生成與金屬填孔，都會改變DRAM晶片的物理特性，而妥善處理微凸塊接合與Underfill，是可以最小化DRAM晶片主動層壓力的關鍵。另外，在磨薄后DRAM中，將會有VRT（Variable Retention Time）問題，也是可靠度所須做的考量因素。

　　第一個使用TSV堆疊DRAM的應用，是在2010年起于伺服器之高效能DDR3的市場應用上，其晶片尺寸大約在9毫米×10毫米，而這種伺服器記憶體的應用率，在2010年時大概有27%左右，然而，也須端看TSV與其他技術比較之后的結果。表1是DRAM使用TSV技術時在一般市場的預估值。

　　表2顯示使用TSV在圖形處理器的市場預測，這個圖形處理器尺寸大約在15毫米×15毫米，并且會有處理器與記憶體在其中。

　　從表3的預測中可以看出，F(xiàn)PGA將于2013年開始使用TSV制造，但仍須視晶圓代工的能力而定。在2013年之前，F(xiàn)PGA仍僅止于研發(fā)階段，在2013年后，F(xiàn)PGA堆疊后的晶片尺寸至少會到14毫米×14毫米左右，而在每個堆疊中也都會有記憶體和處理器。

　　若觀察無線產品市場，主要還是以處理器與記憶體的配合為主要應用方向，而正當許多廠商已開始朝采用TSV來形成解決方案時，這類產品的價值鏈晶圓代工夥伴，目前還尚未可以提供對應的服務及妥善的生產線，許多廠商都希望在2011年便可以有產品上市，但直到2012年才有廠商開始投入量產，晶圓代工也比較有生產線可用（表4），而處理器晶片尺寸可能會在7毫米×7毫米左右，并且會使用TSV把記憶體整合堆疊到處理器內。

　　當然，在半導體市場上仍有其他的可能應用存在，例如NAND快閃記憶體的應用，其可能的堆疊將包含記憶體儲存卡、通用序列匯流排（USB）硬碟、固態(tài)硬碟（SSD）、microSD卡、MP3播放器、數(shù)位相機以及可攜式的游戲機，對于這部分的應用，在2009年便開始引起很大的回響與討論，然而目前多數(shù)的廠商仍認為TSV的相關成本未能妥善評估，并且目前還有其他替代技術，例如使用薄化晶片與打線接合堆疊的方式，也能夠取得相同的密度水準，因此到2014年之后才有量產TSV技術的可能性。

　　TSV前景看好　惟時間表未定

　　目前許多廠商在應用TSV上并沒有設定很明確的藍圖，且因為制程與設計間有落差，所以方法并不明確，因此應用TSV的3D IC雖然是一個新模式，但對于設計者而言，必須改變傳統(tǒng)二維（2D）設計的想法與結構。

　　另外，組裝也是另一個問題。許多的制程都會因為TSV而有物理、散熱或電性的應力結構的改變，而改變元件的特性。雖然，這2年來已有許多重大的技術突破，不論在設計或制程上都有順利的進展，但離量產仍有一段距離，問題包括成本、設計規(guī)則的改變、系統(tǒng)的協(xié)同設計需求以及新工具與架構之間的整合應用等。

　　比較理想的生態(tài)應該包含代工廠、矽智財（IP）供應商、電子設計自動化（EDA）廠商與封測代工廠（OSAT）等，一起在設計工具與參考流上取得整合共識，這種成本效率、技術改善與協(xié)同的生態(tài)，是讓應用TSV的3D IC成為主流的關鍵要素。

　　此外，雖然目前在市場上已有許多的公司規(guī)畫且有意愿導入TSV技術到自家的核心技術以及產品上，但是由于相關成本較難估算，而且價值鏈架構并不是很穩(wěn)定，仍需要時間來加以厘清，才可助加速TSV于市場上的應用。