三维集成技术突破摩尔定律
2013-06-21 20:28:48   来源：微迷   评论：0   点击：

随着CMOS工艺研发的不断发展，继续等比例缩小的局限性日渐凸显，系统设计师们开始越来越多地转向多芯片封装，而不是依赖在单一芯片上集成更多的器件来提高性能。因此，随着超越摩尔时代的来临，电子信息产业的竞争从某种意义上来说将主要体现在IC封装技术。目前，IC封装技术正从传统的2D快速转向3D集成，而移动智能终端是3D集成最主要的推动力。为了满足越来越高的移动数据流量和传输速度，以TSV技术为基础的各种芯片堆叠封装工艺应运而生。3D TSV是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。据咨询公司Yole Développement 统计，全球3D TSV器件产业呈现爆发式成长，增速约为整个半导体市场发展速度的10倍，预计2017年将达到380亿美元的市场规模，如图1所示。从终端产品形态分布来看，2012年智能手机、平板电脑、服务器分别以43%、13%、6%的份额占据3D TSV器件市场的前三位。

图1 2010-2017年全球3D TSV器件市场规模

3D集成目前最大的挑战在于热效应。半导体器件工作时会产生热量，不同的芯片受热后其膨胀系数是不同的，当把两片芯片堆叠在一起，如果一个膨胀快，一个膨胀慢，芯片与芯片之间就会产生很大的应力。硅通孔也会有应力存在，同样会影响周围晶体管的性能。尤其是模拟IC，散热更是一个影响性能的大问题。除了热效应之外，3D TSV技术还面临另一个挑战：晶圆的设计开发周期。由于3D IC工艺复杂性和集成度的提高，原有EDA工具性能是否可以同时跟上、会不会延长产品设计周期等，都是设计人员需要考虑的问题。目前能真正实现3D集成封装的主要是存储器、MEMS和图像传感器，因为这类器件面临的发热问题小，而要想实现不同的复杂逻辑IC之间的3D集成封装，至少还需要2 ~ 3年。

3D 集成的优势在于采用不同的技术（如CMOS、MEMS、SiGe、GaAs等）实现器件集成，即“混合集成”，通常采用较短的垂直互连取代很长的二维互连，从而降低了系统寄生效应和功耗。因此，3D集成技术在性能、功能和形状因素等方面都具有较大的优势。最新的3D叠层芯片技术采用FC互连或直接穿过有源电路的多层互连结构，从而能显著提高系统性能。3D集成实际上是一种系统级集成结构，其中的TSV是芯片制造与封装技术相融合的集成技术。未来的3D封装将采用更多的晶圆到晶圆堆叠以及芯片到晶圆堆叠，以提高封装的成本效益和可靠性。

3D IC的兴起同样对半导体供应链产生了深远影响，从IDM、无晶圆厂设计公司到晶圆代工厂，从半导体封测厂到基板与电路装配制造商，一场变革正在悄然进行中。少数领先公司如台积电正在扮演产业整合者的角色，涵盖键合、封装、组装、测试垂直整合服务以满足3D IC规模商用化所带来的供应链挑战。在未来，能够提供“Full IDM”模式的工厂，如英特尔、意法半导体和三星电子等将会备受青睐。作为替代解决方案，更多的公司则必须抱团自救，以更加开放的“虚拟IDM”生态系统与之相抗衡。根据Yole Développement预测，整个3D TSV的半导体封装、组装和测试市场在2017年将达到95亿美元。其中，包括TSV蚀刻填充、布线、凸块、晶圆测试和晶圆级组装在内的中段晶圆处理部分的市场规模将达到38亿美元，而后段组装与测试部分将达到57亿美元。

综上所述，3D IC芯片具有体积小、集成度高、成本低、功耗低等优点，符合当前便携式电子产品轻薄短小的发展趋势。利用3D集成技术实现微系统，是未来发展的必然趋势，是突破摩尔定律发展的必然选择。