3D IC技術(shù)漸到位 業(yè)務(wù)模式磨合中

采用矽穿孔(TSV)的2.5D或3D IC技術(shù)，由于具備更佳的帶寬與功耗優(yōu)勢(shì)，并能以更高整合度突破制程微縮已趨近極限的挑戰(zhàn)，是近年來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。在產(chǎn)業(yè)界的積極推動(dòng)下，3D IC已從概念逐漸成為事實(shí)，預(yù)計(jì)將于二至三年后進(jìn)入量產(chǎn)階段，必將成為未來市場(chǎng)的重要游戲改變者。

TSV 3DIC市場(chǎng)逐步起飛

在日前舉行的Cadence使用者會(huì)議(CDN Live)與Semicon Taiwan活動(dòng)上，包括臺(tái)積電、聯(lián)電、日月光、Xilinx等大廠都釋出了表示3D IC即將邁入量產(chǎn)的訊息。

其中，積極以自有CoWoS技術(shù)搶市的臺(tái)積電預(yù)計(jì)在今年十月就將發(fā)布1.0版的設(shè)計(jì)套件與PDK，試產(chǎn)時(shí)程訂于今年第四季，明年第四季可望開始正式投產(chǎn)。臺(tái)積電更以今年將是臺(tái)積電3D IC制造元年，來宣告此技術(shù)已獲得重大進(jìn)展。

日月光集團(tuán)總經(jīng)理暨研發(fā)長(zhǎng)唐和明則表示，高階產(chǎn)品朝2.5D/3D IC移轉(zhuǎn)已勢(shì)在必行，過去幾年來，此技術(shù)在IC設(shè)計(jì)、晶圓、封測(cè)等各領(lǐng)域均有顯著進(jìn)展，預(yù)計(jì)量產(chǎn)時(shí)程為2014~2015年，應(yīng)用將逐步興起。

聯(lián)電是以Via-middle制程為基礎(chǔ)，從今年初開始進(jìn)行TSV制程最佳化，預(yù)計(jì)今年底便可進(jìn)行產(chǎn)品級(jí)的封裝與測(cè)試以及可靠性評(píng)估。

而已經(jīng)率先發(fā)表2.5D FPGA技術(shù)的Xilinx，該公司資深副總湯立人也表示，這款在單一封裝中整合4顆28納米FPGA、總晶體管數(shù)高達(dá)68億個(gè)的元件，預(yù)計(jì)明年上半年就可正式量產(chǎn)。

從這些一線大廠的動(dòng)態(tài)，我們可以看出，3D IC時(shí)代的確即將來臨!

3D IC在行動(dòng)市場(chǎng)深具潛力

根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Development發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球3D TSV芯片市場(chǎng)規(guī)模將從2011年的27億美元，到2017年成長(zhǎng)至380億美元(不包含2.5D)，占整體市場(chǎng)的9%。目前的產(chǎn)值主要是來自低階的CMOS傳感器、MEMS等應(yīng)用，仍以8寸3D晶圓封裝為主，尚未移轉(zhuǎn)至12寸。

Yole Development估計(jì)，2017年全球3D TSV半導(dǎo)體的封裝和測(cè)試市場(chǎng)將達(dá)到80億美元，其中約有38億美元是與TSV蝕刻、填充、接線、凸塊、測(cè)試等中段制程業(yè)務(wù)相關(guān)。而后段的3DIC模塊測(cè)試業(yè)務(wù)也將會(huì)達(dá)到46億美元，是封測(cè)廠商未來重要的成長(zhǎng)契機(jī)。

目前，采用2.5D技術(shù)的FPGA元件已經(jīng)朝向商業(yè)化，而在美光、三星、海力士等各家廠商的積極推動(dòng)下，異質(zhì)存儲(chǔ)器堆疊可望將于服務(wù)器和高效能運(yùn)算(HPC)市場(chǎng)率先導(dǎo)入，Yole Development認(rèn)為明年將會(huì)是3DIC真正大量應(yīng)用起飛的開始。

3D IC的真正重點(diǎn)在于將存儲(chǔ)器與邏輯IC堆疊在一起，以取得更佳的效能、尺寸、以及功率優(yōu)勢(shì)，這塊領(lǐng)域?qū)⑹俏磥砦迥?DIC市場(chǎng)最重要的推動(dòng)力量。不過，業(yè)界矚目的TSV 28納米行動(dòng)應(yīng)用處理器，可能要到2014至2015年才會(huì)在wide I/O接口廣泛采用后，而開始有大量應(yīng)用。

有鑒于行動(dòng)市場(chǎng)的強(qiáng)勁成長(zhǎng)動(dòng)能，這也是臺(tái)積電和三星積極搶奪市場(chǎng)的首要戰(zhàn)場(chǎng)，希望透過整合從前端制造到后端封測(cè)的垂直式整合作業(yè)方式，以滿足高通、NVIDIA、Broadcom等一線芯片設(shè)計(jì)業(yè)者的需求。

在Semicon Taiwan的3D IC論壇中，有與會(huì)來賓透露，三星明年的智能型手機(jī)就將搭載采用TSV技術(shù)的3D IC，能以其集團(tuán)的垂直整合優(yōu)勢(shì)，帶來更佳的系統(tǒng)效能表現(xiàn)。

不過，即使技術(shù)陸續(xù)到位，但目前整體供應(yīng)鏈還是非常分散，需進(jìn)一步的整合，同時(shí)到底未來何種3DIC的業(yè)務(wù)模式會(huì)勝出，態(tài)勢(shì)也尚未明朗。產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要一段時(shí)間的發(fā)展，才會(huì)更臻成熟。

業(yè)務(wù)模式之爭(zhēng)　仍未明朗

看好3DIC市場(chǎng)的發(fā)展前景，晶圓廠和封測(cè)業(yè)者均加碼投入，同時(shí)依via-first/via-middle/via-last不同的TSV制程技術(shù)，出現(xiàn)了多種不同的業(yè)務(wù)模式。

像臺(tái)積電的CoWoS技術(shù)，強(qiáng)調(diào)一條龍式的制程，提供從前端到后端的完整服務(wù)，而聯(lián)電的via-middle技術(shù)，則是藉由與封測(cè)廠的伙伴關(guān)系，共同提供服務(wù)。

這兩種模式，就技術(shù)、服務(wù)效率來看，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。站在無晶圓設(shè)計(jì)業(yè)者的立場(chǎng)，via-last能帶來更佳的供應(yīng)鏈管理靈活性，不會(huì)被單一業(yè)者綁住，也能有更多元的方案可選擇。但另一方面，在芯片品管、責(zé)任歸屬方面，有可能會(huì)造成更多的困擾。

Yole Development則認(rèn)為，采用「via-middle」模式的存儲(chǔ)器和邏輯IC堆疊將成長(zhǎng)最快。

日月光研發(fā)中心副總經(jīng)理洪志斌也指出，以目前的2.5D中間插件(interposer)供應(yīng)為例，就有晶圓代工、封測(cè)廠、結(jié)合兩者，以及獨(dú)立供應(yīng)商的不同業(yè)務(wù)模式。芯片客戶也會(huì)在不同的業(yè)務(wù)模式間移轉(zhuǎn)，并沒有明確的主流態(tài)勢(shì)出現(xiàn)。

這些都是產(chǎn)業(yè)鏈在朝成熟發(fā)展過程中，尚待克服的問題，包括生態(tài)系統(tǒng)、合作關(guān)系、競(jìng)爭(zhēng)模式都還在摸索階段。此外，目前3D IC的成本仍高，有賴共通標(biāo)準(zhǔn)、代工廠間互通性的建立，才有可能以更佳的成本效益與效能，推動(dòng)更廣泛的采用。而在技術(shù)成熟度方面，眾所矚目的3D IC異質(zhì)堆疊在微凸塊/TSV、熱傳、TSV元件應(yīng)力、3D制程開發(fā)套件、芯片間接口、測(cè)試等各個(gè)領(lǐng)域也都還待解決。

盡管挑戰(zhàn)仍在，但我們看到了3D IC技術(shù)的顯著進(jìn)展，已經(jīng)從概念成為可行的商業(yè)化產(chǎn)品。未來，隨著3D異質(zhì)堆疊技術(shù)的成熟，將能使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)完全打破摩爾定律的制約，反而可以開創(chuàng)出更寬廣的創(chuàng)新應(yīng)用與技術(shù)，這樣的前景的確令人期待。