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

　　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技術更加完善。現在，TSV已經可針對2D作業實現最佳化了，例如從平面芯片的正面傳送數據到背面的微凸塊，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4Gbit芯片。透過三星的2.5D技術，可使采用TSV的堆棧DRAM與系統級封裝(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，它透過封裝技術而使四個平行排列的Virtex-7 FPGA與硅晶內插器上的微凸塊實現互連。***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插器──采用一種以‘塌陷高度控制芯片連接’(C4)技術接合基板封裝上銅球的TSV技術。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。

　　然而，2011年所發布最令人驚喜的3D IC消息來自于IBM公司。該公司最近透露已經秘密地大規模生產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。由于累積了相當的技術經驗，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。

　　“憑借一招半式闖天涯的時代已經結束了，”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、網絡、軟件或整合，就無法在3D性能戰中取得勝算。為了要在3D戰場上致勝，就必須盡可能地同時使用所有的資源。”

　　IBM在今年九月宣布已經與3M公司商討共同創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的電絕緣體，但比硅晶的導熱性更佳。3M承諾可在兩年內使這種神奇的材料商用化。

　　“現在，我們一直在進行試驗，希望能在2013年以前發展出一個可行的方案，以實現廣泛的商用化，”3M公司電子市場材料部門的技術總監程明說。

　　然而，對于IBM-3M共同開發的努力能否使雙方公司處于3D IC競賽的領先位置，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先進封裝技術的首席分析師Francoise von Trapp說。“雖然這絕對是在3D IC量產前必需解決的挑戰之一，但我認為它不見得就是解決3D堆棧其余問題的最后關鍵。”

　　3D無處不在

　　即使IBM公司聲稱已在3D IC生產方面領先，但市場上也不乏其它競爭廠商。事實上，美國Tezzaron Semiconductor已經為其鎢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。

　　連續創業的企業家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開發公司MonolithIC 3D Inc.的總裁兼CEO。另一家新創的BeSang公司也聲稱即將制造出不必使用TSV技術的單片式3D內存原型芯片，可望在2012年首次亮相。

　　然而，當今最先進的技術還是采用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的研發。“IBM公司更挑戰該技術極限，透過與3M公司的合作以尋求超越當前架構的其它可能性。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造力，這些廠商們都已在3D IC方面各自展開相關開發工作，”市場觀察公司The Envisioneering Group總監Richard Doherty表示。

　　用于制造3D IC的技術并不是最近才開發的，而當今的工作重點在進于一步提升這些技術。例如，目前許多 CMOS成像器以TSV將畫素數據從基板前面傳至背面，而芯片堆棧的概念可追溯到晶體管先驅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。缺乏電路的地區則可用于其它結構，如垂直互連總線或甚至是制冷劑氣體的煙囪等。異質的3D堆棧芯片還提高了整合度，讓整個系統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場般架構的機會，每個芯片分割為毗鄰的矩形區域，”Doherty說。“3D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垂直互連，并使其得以散熱。

　　“3D技術啟發了更多的芯片設計新思維。設計人員們現在能以創新的方式來結合CPU、內存與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方式是無法實現的。”

　　全球主要的的半導體組織都為3D技術展開各種標準建立工作。國際半導體設備材料產業協會(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。

　　半導體制造聯盟(Sematech)已經成立了一個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聯盟還在紐約州立大學阿爾巴尼分校科學與工程院設置一條300毫米的3D IC試產線。

　　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Fraunhofer IZM表示可望在2014年以前將處理器、內存、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聯盟，目前已有超過20家成員聯盟。聯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技術論壇中，英特爾表示正致力于堆棧3D IC的開發工作(但這并不是指其FinFET三閘晶體管)。此外，在Semicon上，爾必達(Elpida)據稱其與力成科技(Powertech Technology)和聯電在2Gbit DRAM的共同研發上己取得了進展，該合作團隊采用了以高密度TSV連結的堆棧DDR3芯片。

　　聯合電子裝置工程協會(JEDEC)可望在今年底前率先為3D IC開發出Wide I/O標準。JEDEC規格將支持512位寬的接口。

　　法國半導體研究機構CEA-LETI與意法半導體(STMicroelectronics)和硅晶內插器制造商Shinko Electric Industries Co.共同合作，以推動2.5D至3D IC的順利過渡。該合作小組現于一座300毫米晶圓制造廠生產原型組件，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、巴黎高等洛桑聯邦理工學院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)以及蘇黎世瑞士聯邦理工學院(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。這已經是一個瑯瑯上口的公式。“在這項合作計劃中，3M公司提供了可實現3D的技術平臺，”IBM公司研究副總裁Bernard Meyerson說。

　　經過多年研究實現3D IC所需的每項組件技術后，IBM確定目前缺少一種非常重要的材料，因而決定與3M公司攜手共同創造這種材料。根據IBM表示，影響3D IC發展的關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結構上包含冷卻劑的微流體通道。

　　“3M公司的技術能夠滿足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。”

　　根據Meyerson表示，最不利的限制是接合劑的熱膨脹系數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的，更遑論其易碎性。這就是我們所謂過度受限的系統。”

　　3M電子市場材料部技術總監程明說，3M“基本上是一家有能力調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范需求。我們的接合劑將結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的規格需求。”

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

　　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經驗──那些流體可能會快速地流經微流體通道而進入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。”

　　程明表示：“我們現有的Fluorinert電子氟化液針對數據中心的服務器與硬盤，協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助冷卻3D IC的液體。”