3D IC是不是系统单芯片(SOC)与系统级封装(SIP)的救赎?
SIP并没有完全接手SOC的技术任务,2006年开始推出3D IC概念后,2008年实作已有20万片。台湾地区目前最重要的课题是:制订3D IC的产业标准。
异质整合,平地起高楼
如果以“高度”形容一个城市,杜拜2008年的最高建筑是160层楼高,高度705m。马来西亚1998年的最高建筑是88层楼高,高度452m。台湾2004年的最高建筑是101层楼高,高度508m。
电子产品,功能越加越多,走到系统单芯片(SOC),为数众多的晶体管,必须越靠越紧密。
3D IC的概念,是从SOC的痛苦中,寻求创新的结果,盖起高楼吧!!简单说3D IC是把各种不同属性,不同制程程序的晶圆,把逻辑(logic)、内存(memory)、微机电(MEMS)、生医(Bio)、电池(Battery)等,一层层地堆栈,构筑出千层糕一般的立体IC。
3D IC,最精简的介绍,就是“异质整合”(Heterogeneous Integration)。
SOC带来的痛苦
半导体产业推动办公室(SIPO)副主任唐经洲,分析SOC所面临的6大困难包括:“投资成本太高”、“材料发展不易”、“微影技术太过困难”、“3D晶体管架构尚未成熟”、“制程变异性难以掌握”及“散热问题影响深远”。
在“投资成本太高”方面,他指出,追求先进制程的SOC,65奈米制程的投资规模已高达新台币15亿元,这样的投资规模已经不是一般的IC公司可以投资得下去的。
在“微影技术太过困难”方面,193nm光源的微影机,在制程技术不断微缩的挑战下,虽然台积电的林本坚博士发明了浸润式微影技术,解决了大家花更多资金买157nm光源的微影机,但浸润式微影技术可不是白吃的午餐,要付出的代价是要用更多的计算机运算,包括光学近接效应修正法(optical proximity correction;OPC)OPC等计算机算法来做微调。
在“3D晶体管架构尚未成熟”这点,虽然有Fin FET(鳍式场效晶体管),但也还不是非常成熟普及的技术。
5个字简介SOC,可说“又贵、又困难”;两个字简介SOC,就是“痛苦”。
3D IC技术优势
3D IC与过去IC制程概念上,并没有太大不同,不同的是这回晶圆(Wafer)必须磨得更薄,直接在wafer上钻洞,透过溅镀或CVD把铜给灌进洞里。唯一新的制程是精准度要求达1μm的精密机械手臂(Handler)进行对准(alignment),把多片wafer给连结在一起。
把SOC, SIP及3D IC三者放在一起比较。在联机密度(interconnect density)上,半导体产业推动办公室(SIPO)副主任唐经洲给了很好的概念,他表示,SIP与SOC的联机密度比,大约是1比100,而3D IC则是10左右。在菜单现上,3D IC 又能达到SOC的高复杂度。
娇小省电
3D IC在联机密度上的优势,给设计所带来的好处包括:减少外观尺寸、减少电容与电感、提高速度、以及降低功耗等,这些好处,尤其是降低功耗,对于手持式电子产品的优势非常大。
制造成本低
生产费用上,3D IC 延长许多旧制程(例如:0.35μm)的使用年限,这些制程的机台早就折旧得差不多了,所以,3D IC的制造成本,具有很好的成本优势。
异质整合
整个3D IC技术,最炫人的部分,就在于“异质整合”(Heterogeneous Integration),这项技术让设计者可以把许多制程特性完全不同的组件,给一片片像迭千层糕似地,往3D IC迭上去,除了电源(Energy/Power)、处理器(Processor)、内存(Memory)外,还可以有射频(RF)、数字模拟转换(AD/DA)、奈米组件 (Nano Device)、微机电(MEMS)、生化传感器(Chemical & Bio Sensors)等等。异质整合的3D IC让未来的手机可像悠游卡一样薄,还能同时拥有照相功能。
提高可靠度
由于制程上3D IC只要用10年前的主流制程就已绰绰有余,因此,相较于SOC的制程变异性高、难以掌控, 3D IC所需的制程,早已千锤百炼,所以可靠度高。
3D IC主要应用
由于SOC的千难万难,因此,2007年大家就主推SIP来帮忙。但SIP美中不足的是,在联机密度(interconnect density)上表现有限,要连太多线就要打架了。
3D IC的应用从2006年萌芽后,2008年已经有20万片芯片实作,未来增长性持续看好。其主要应用包括:3D-SIP 逻辑IC(FPGA、CPU、MPU、Analog)、微机电(硅麦克风、RF、光学微机电组件等)、NOR & NAND Flash内存(手机、SSD)、DRAM(服务器模块、桌上型PC、NB)、影像传感器(手机相机、笔电WebCam)、RF-SIP等、
3D IC市场预估乐观
SOC又贵又痛苦,SIP又不够应付,3D IC未来市场需求,大家一致表示乐观。几乎所有的市场调查机构都表示,看好3D IC未来的市场增长。
亟需:制订产业标准
韩国三星目前已经积极投入3D IC技术,从MCP(Multi-Chip-Package)架构走向WSP(Wafer-Scale-Package)架构,精密度从720μm推进到560 μm。在研究机构方面,比利时IMEC, 欧盟e-Cube也都积极投入。
对于3D IC,整个半导体产业仍无标准。半导体产业推动办公室(SIPO)副主任唐经洲指出,唯有从系统端的公司要求拉动,整个3D IC产业链才会快速成型并成熟。他认为“制订3D IC产业标准”是居全球半导体产业关键地位的台湾地区,此时最应该赶快做的事。