厂商戮力开发新应用芯片立体堆叠技术未来可期

上一期文章已针对影像感应器、功率放大器与处理器等产品分析过如何应用矽穿孔(TSV)做立体堆叠时的现况与预测，因此本期将延续上期的讨论，再涵盖当红的商品应用，让读者可以更清楚未来的走势。  

TSV抢进热门应用市场

今日的可携式设备几乎把所有的事放在掌心中，只要按一个钮，便可以浏览网际网路、收发邮件、观看高画质电视或使用全球卫星定位系统(GPS)等服务。多媒体的需求愈来愈多，也让设计愈来愈复杂，设计人员无不希望在持续缩小的接脚结构中取得更好的功能，但耗电要变少。  

由于可携式运算需求愈来愈急迫，业界便开始追求更进阶的记忆体技术，让可携式设备拥有支援三维(3D)立体游戏以及家庭剧院标准1,080p，每秒六十个影格的影音设备等能力。在2013年，可携式设备系统单晶片(SoC)的设计将须要超过10Gbit/s的记忆体频宽之效能规格。另外，在可携式产业寻求更好的记忆体技术并改善接脚尺寸的前提下，应用TSV的3D IC概念提升耗电与效能并且同时顾虑成本效益将是一个可行方向(图1)。  

图1 应用堆叠晶片与TSV技术的3D IC封装技术蓝图

对于宽输入/输出(Wide I/O)介面而言，应用TSV堆叠动态随机存取记忆体(DRAM)在逻辑晶片上，可在每位元耗电只有一半的情况下，比LPDDR2技术的效能要快上二到四倍，这对业者而言，确实是有很大的诱因，以下说明目前的应用现况。  

应用于DRAM

在DRAM记忆体上，尔必达(Elpida)、三星(Samsung)与美光(Micron)，目前都已开始供应使用TSV堆叠的DRAM样本，这三家公司与恩益禧(NEC)、Oki Electric一齐发表了不少堆叠的概念，之所以使用这个技术来堆叠DRAM，主要当然是为了效能、省电与尺寸大小等优势。  

IBM的研究指出，当想要扩充DDP(Dual Die Package)以便支援1,333Mbit/s甚至到1,600Mbit/s的时候，最终将会须要用到TSV技术，因为该项技术可以不使用打线键合(Wire Bonding)，而让DRAM堆叠封装尺寸更小，并且具有更快的资料传输能力和频宽。  

已宣布破产的尔必达，早在2009年时就已成功开发出多层铜TSV堆叠的8Gb DRAM记忆体，这个DDR3 SDRAM可以有1,600Mbit/s的运作速率，且在核心层间有1,030个互连(单一封装中有8,357个凸块互连，包含介面层)，这个封装高度最大仅1.3毫米(mm)，里面包含八个核心层与一个介面层，目前8Gb TSV DRAM已开始提供，而且很快便可以看到16Gb的产品(八层各2Gb的DRAM产品)出现。  

以一个整合元件制造商(IDM)而言，三星比谁都有能力来进行3D IC的开发，市场消息指出，多年来三星已将3D封装技术推展至不同的应用上，目前他们的3D DRAM结构可以支援四个Rank的动作，含一个主控端(Master)与三个从属端(Slave)晶片，并使用将近三百个TSV，这个元件可以支援功能模组化，且提供缓冲模组的解决方案，其中Master晶片是一个具有四片2Gb的DDR3 DRAM，且另有多Rank的控制回路，而Slave晶片都有2Gb的记忆体核心与晶圆级测试回路，这个元件的密度共8Gb，且每个堆叠都可以形成一个Rank，Master晶片可以当成可绝缘通道(Channel)与Slave晶片间的缓冲区，于是若在有四个Rank/Module与两个Module/Channel的结构下，可以让输入/输出资料传输快到1,600Mbit/s，然而若是以传统的QDP(Quad Die Package)结构来进行，传输速率则只能到1,066Mbit/s。  

追求高效能电脑设备的制造业如伺服器制造商也对于TSV技术的改善空间非常感兴趣。根据IBM的说法，伺服器记忆体容量是以每代至少两倍的速度成长，而由于消费者对系统体积愈小愈好的偏好，限制了记忆体插槽的总数量，也让记忆体模组密度须要设法往上提升，其中一个好方法，就是使用3D TSV技术制造伺服器的DRAM高阶应用。  

JEDEC固态技术联盟在2012年宣布一个新的行动DRAM标准--JESD229 Wide I/O Single Data Rate(SDR)。由于Wide I/O行动DRAM是一项突破性技术，可满足产业在增加整合层次与改善频宽、延迟(Latency)、供电、重量与尺寸上的需求，因而可以让智慧型手机、平板电脑、手持游戏机及其他可携式元件得到效能、省电与缩小尺寸等的终极表现，而这个标准主要诉求在于使用TSV的3D堆叠能力，把记忆体晶片直接堆叠互连到一个系统单晶片上时所需的标准，其定义出相关的属性、功能、交流(AC)与直流(DC)值以及Ball/Signal配置，特别适用需要极佳耗电效能与更大的记忆体频宽(最大到17GB/s)之应用，应用实例包括3D游戏、高解析度视讯档，或同时须要执行多重应用等，比起前一代的标准LPDDR2，在相同的耗电水准下，Wide I/O的频宽约两倍。  

瞄准FPGA市场

使用3D结构在逻辑元件上的优点，最有利的证据就在现场可编程闸阵列(FPGA)的应用上。传统FPGA包含一堆简单又可程式化的逻辑元件阵列，并且有可程式化的互连结构，因此可按照系统设计者的需求来规画逻辑区块的相连结构，但FPGA的效能会被占了晶片面积90%的互连结构所限制住，且会造成40%?80%的元件延迟。  

3D整合的技术于是找到了这个施力点，因其可协助FPGA把可程式化的互连结构从逻辑区块中移除，转而置放于堆叠体的其他层，因而减少原先的互连延迟现象，但是否可在FPGA上采用3D TSV，则仍须视晶圆代工厂是否有对应的设计工具以及在300毫米晶圆应用TSV的能力而定。  

业界标准也是另一个问题，举例来说，对于在3D的设计上是要发展可制造性设计(DFM)或可测性设计(DFT)的标准，也仍然引起许多的讨论。美国电机暨电子工程师学会(IEEE)的3D Test Working Group提出IEEE 1838标准，这个标准的内容是希望可以在3D元件中定义出可当作测试架构的基础结构与描述语言，这个测试架构非常关键，因为其可以在IC制程中用来测试与确认3D元件的品质，对于FPGA应用3D技术非常关键。  

强化无线设备性能

供应无线设备的公司将TSV视为想增加处理器效能、强化处理器与记忆体间资料交换频宽、改善资料存取耗电、限制电池耗电、低成本与小型化等优势时最具潜力的解决方案。  

但目前的封装技术都较局限于使用打线接合或覆晶技术来做立体堆叠，在某些应用上，也会倾向于使用PoP(Package on Package)或PiP(Package in Package)等技术，而CoC(Chip on Chip)也因无法完全满足所有需求，而只被采用于部分应用中，因此在这方面的应用上，未来有绝对的市场空间可以发展。  

除了以上的应用外，TSV还引起其他半导体厂的兴趣，举例来说，类比元件供应商也规画使用TSV，其主要是为了缩短设计时程，以便快速上市(约18个月)，这主要是因为有现存的设计工具还可以沿用，而TSV连接元件时，也可以混用各种技术或使用不同的技术节点(Technology Node)，例如晶片部分可使用130奈米(nm)节点技术来设计，也可以在其他部分应用45奈米技术来进行，在这样的情况下会有不错的综效，例如可以最佳化数位元件的技术，却不一定可以最佳化类比元件，混合使用不同节点则可以顺带改善整合的弹性。  

另外，由于晶片互连的总长会缩短，且拥有较低的电容，因此也能降低更多的耗电，并且改善速度效能。但是，TSV应用在混合数位与类比元件下的缺点，则可能包含在类比晶片与高频数位元件间，存在电磁与射频(RF)的相互干扰现象。接着，讨论目前这几项应用在市场上的预测值资料。

 TSV市场预测与评估

许多消费性应用须要使用TSV、中介层或可切入扇出型晶圆级封装(FOWLP)做进阶封装，以便产生薄于50微米(μm)的超薄半导体晶圆，如供电元件绝缘闸双极电晶体(IGBT)、RF与发光二极体(LED)。由于超薄晶圆较不稳定、比传统的更易碎、探针测试时易破，且在研磨与晶圆加工时易产生挠曲，因此需要新的暂时键合技术。 

研究机构Yole找出至少六个使用载具暂时键合的技术，每一种在化学药剂与载具等上，都有不同的特性，而暂时键合发展的目标是能够降低成本、抗高温与结构稳定的问题，工具厂商、化学药剂供应商与基板厂商都须要合作，以便达成这个目标，而部分如Nitto Denko、TOK与TEL则试着供应制程与化学材料。Yole预估暂时键合的市场将会在2011?2016年间，有五倍的市场成长，让市值上探3亿美元，需要暂时键合的晶圆，将会在2016年达到3千5百万片。 

导入新技术在还没有商品化之前，可能无法得到任何即时好处，正如堆叠DRAM已进行了一段时间，但仍在商品化过程中遇到问题。让应用TSV堆叠DRAM的商品延后上市时间的原因之一，便是对堆叠后的记忆体可靠度有所质疑。根据IBM的说法，TSV的封装必须能够考虑关键架构的整合效果，如TSV、微凸块、D2D/基底接合、底部填充剂(Underfill)层以及重分布层(RDL)等，都必须有完善的搭配。 

除此之外，晶片与封装的关联，是TSV DRAM封装可靠度的关键，因为孔的生成与金属填孔，都会改变DRAM晶片的物理特性，而妥善处理微凸块接合与Underfill，是可以最小化DRAM晶片主动层压力的关键。另外，在磨薄后DRAM中，将会有VRT(Variable Retention Time)问题，也是可靠度所须做的考量因素。 

第一个使用TSV堆叠DRAM的应用，是在2010年起于伺服器之高效能DDR3的市场应用上，其晶片尺寸大约在9毫米×10毫米，而这种伺服器记忆体的应用率，在2010年时大概有27%左右，然而，也须端看TSV与其他技术比较之后的结果。表1是DRAM使用TSV技术时在一般市场的预估值。 

表2显示使用TSV在图形处理器的市场预测，这个图形处理器尺寸大约在15毫米×15毫米，并且会有处理器与记忆体在其中。 

从表3的预测中可以看出，FPGA将于2013年开始使用TSV制造，但仍须视晶圆代工的能力而定。在2013年之前，FPGA仍仅止于研发阶段，在2013年后，FPGA堆叠后的晶片尺寸至少会到14毫米×14毫米左右，而在每个堆叠中也都会有记忆体和处理器。 

若观察无线产品市场，主要还是以处理器与记忆体的配合为主要应用方向，而正当许多厂商已开始朝采用TSV来形成解决方案时，这类产品的价值链晶圆代工夥伴，目前还尚未可以提供对应的服务及妥善的生产线，许多厂商都希望在2011年便可以有产品上市，但直到2012年才有厂商开始投入量产，晶圆代工也比较有生产线可用(表4)，而处理器晶片尺寸可能会在7毫米×7毫米左右，并且会使用TSV把记忆体整合堆叠到处理器内。 

当然，在半导体市场上仍有其他的可能应用存在，例如NAND快闪记忆体的应用，其可能的堆叠将包含记忆体储存卡、通用序列汇流排(USB)硬碟、固态硬碟(SSD)、microSD卡、MP3播放器、数位相机以及可携式的游戏机，对于这部分的应用，在2009年便开始引起很大的回响与讨论，然而目前多数的厂商仍认为TSV的相关成本未能妥善评估，并且目前还有其他替代技术，例如使用薄化晶片与打线接合堆叠的方式，也能够取得相同的密度水准，因此到2014年之后才有量产TSV技术的可能性。 

TSV前景看好　惟时间表未定

目前许多厂商在应用TSV上并没有设定很明确的蓝图，且因为制程与设计间有落差，所以方法并不明确，因此应用TSV的3D IC虽然是一个新模式，但对于设计者而言，必须改变传统二维(2D)设计的想法与结构。 

另外，组装也是另一个问题。许多的制程都会因为TSV而有物理、散热或电性的应力结构的改变，而改变元件的特性。虽然，这2年来已有许多重大的技术突破，不论在设计或制程上都有顺利的进展，但离量产仍有一段距离，问题包括成本、设计规则的改变、系统的协同设计需求以及新工具与架构之间的整合应用等。 

比较理想的生态应该包含代工厂、矽智财(IP)供应商、电子设计自动化(EDA)厂商与封测代工厂(OSAT)等，一起在设计工具与参考流上取得整合共识，这种成本效率、技术改善与协同的生态，是让应用TSV的3D IC成为主流的关键要素。 

此外，虽然目前在市场上已有许多的公司规画且有意愿导入TSV技术到自家的核心技术以及产品上，但是由于相关成本较难估算，而且价值链架构并不是很稳定，仍需要时间来加以厘清，才可助加速TSV于市场上的应用。