【OFweek電子工程網原創】：經歷了近十年的半導體工程研究之后，3D集成電路有望于明年開始實現商業化。 過去幾年，芯片制造商一直在改進可實現3D芯片互聯的硅通孔技術（TSV）。現在TSV技術已經發展到可完成2D任務，比如將數據從平板芯片的正面傳送到反面凸點，3D IC時代即將到來。 在去年冬天舉行的國際固態電路會議（ISSCC）上，三星展示了其大力宣傳的1Gb 移動DRAM。三星的2.5D技術使得DRAM晶圓疊層與TSV以及系統級封裝上的微凸點緊密結合。 除此之外，賽靈思公司打算在今年秋推出一個multi-FPGA解決方案，采用一種封裝工藝技術將四個并行的Virtex-7 FPGA通過硅轉接板上的微凸點互相連接起來。臺積電生產的硅轉接板可通過TSV技術重新分配FPGA芯片的互聯。臺積電表示將于明年為其他代工廠客戶提供可實現2.5D到3D過渡的技術。
IBM最近透露公司正大量生產用于大容量移動設備中的發展成熟的3D IC，使用的是低密度TSV。IBM聲稱已經找到了影響3D IC發展的其它工程障礙，并期望能在2012年前全部克服。 IBM研究副總裁Bernard Meyerson表示：“如果僅單獨依靠材料、芯片架構、網絡、軟件或集成中的一項，將不可能在3D IC領域獲勝，我們必須將所有這些資源盡可能的利用起來。” 上個月，IBM宣布與3M合作開發一種粘接材料，解決3D IC的最后一個障礙：過熱。3M將開發一種粘接材料，這種材料可以實現芯片密集疊放，導熱性要比硅好，而且是電絕緣體。3M表示將在兩年內使這種神奇的材料投入商用。 3M電子市場材料部技術總監程明（Ming Cheng）表示：“目前我們正在反復試驗，希望在2013年前研發出適合商用的材料配方。” 一些分析師們表示不太相信IBM和3M的合作一定會引領他們到達3D IC領域的前端。 MEMS Investor Journal先進封裝技術首席分析師Françoise von Trapp表示：“3M正在研發一種粘接材料，解決3D芯片堆疊的散熱問題。這的確是3D IC實現量產前必須解決的問題之一，但我不認為這是解決所有遺留問題的最后關鍵。” 3D無處不在 IBM在3D IC領域的領先地位也并不是沒有挑戰的。Tezzaron Semiconductor公司多年來一直為其鎢TSV工藝提供3D IC設計服務。Tezzaron的FaStack工藝能夠用于生產厚度僅為12微米的3D芯片。
連續創業者Zvi Or-Bach認為，3D IC設計師應該將重點從TSV轉向超高密度的單片型3D上。Or-Bach這么說并不意外，因為他的最新身份是IP開發商Monolithic 3D公司的總裁兼首席執行官。初創公司BeSang也聲稱將在2012年推出不需要依靠TSV的單片型3D存儲芯片。 但是，如今工藝的最高水平是基于TSV的3D芯片疊放技術，而主要的半導體公司都一直致力于這一技術的研發。Envisioneering Group總監Richard Doherty表示：“IBM正通過與3M的合作來實現這一技術的突破，擺脫當前限制。但IBM在3D芯片領域的每一個進步都會激發三星、英特爾和TSMC等競爭對手的創造力，他們也有各自的3D芯片研發計劃。” 3D IC的制造工藝并不是才有的，當前的努力是為了進一步改進。例如，目前很多CMOS成像器都采用TSV技術傳送像素數據，而芯片堆疊這個想法本身也可追溯到1958年晶體管之父William Shockley獲得的專利。從此之后，堆疊技術就得到了廣泛使用，比如將一個微機電傳感器疊放在ASIC上，或是將一個小DRAM疊放在處理器內核上，不過通常是采用絲焊技術進行芯片的互連。從絲焊向TSV技術的轉變使芯片互聯更緊密。 Doherty表示：“3D IC引出了許多關于芯片設計的新創意。現在設計師們可以將CPU、存儲器和I/O功能以創新的方式結合起來。” 各半導體行業協會也正積極地為3D技術制定標準。國際半導體設備材料產業協會（SEMI）設立了四個工作組從事3D IC技術標準的制定。SEMI成立的三維堆疊集成電路標準委員會包括SEMI成員Globalfoundries、惠普、IBM、英特爾、三星、聯電、Amkor、 ASE、 IMEC、ITRI、Olympus、高通、Semilab、東電電子以及賽靈思。 半導體制造聯盟（Sematech）設立了一個3D芯片設計啟動中心，其成員包括Altera、Analog Devices、LSI、安森美半導體和高通。另外，Sematech也在奧爾巴尼大學納米科學與工程學院學院設有一條300mm 3D IC試點產品線。 Fraunhofer IZM也表示能在2014年前將處理器、存儲器、邏輯、模擬、微機電系統和RF芯片集成到單片型3D IC中。 臺灣工業技術研究所（ITRI）發起了一個擁有20個成員的3D IC聯合。其中大部分成員可能在明年初提供端對端的3D IC代工服務。 9月，在臺灣國際半導體展覽會3D IC技術論壇上，英特爾聲稱正致力于3D芯片堆疊技術。同時，Elpida Memory公司表示與Powertech Technology和UMC在2Gb DRAM方面的合作取得進展。 聯合電子設備工程委員會（JEDEC）也在為3D IC 制定Wide I/O標準，預計年底出臺。JEDEC標準將可支持512-bit位寬的接口。 法國研究機構CEA-Leti與意法半導體以及另一家硅轉接板廠商Shinko Electric Industries公司展開合作，推進2.5D到3D IC的過渡。他們目前正在一個300mm晶圓制造廠進行原型設計，有望于2012年初推出商業設計。 另外，歐洲的CMOSAIC項目正努力研究單片型3D芯片疊層散熱的創新方法。這個為期4年的項目成員包括IBM蘇黎世、洛桑聯邦理工學院（巴黎）以及瑞士聯邦理工學院（蘇黎世）。 IBM、3M合攻3D芯片市場 IBM研究副總裁Bernard Meyerson表示，3M公司擁有3D芯片生產的技術平臺。 在對3D IC的每一項器件技術進行了多年研究之后，IBM發現仍然缺少一種重要的材料，因此與3M合作共同開發。IBM表示，這缺少的重要材料是3D IC發展的一個關鍵障礙，是一種同時具備電絕緣性和導熱性的粘接材料。 Meyerson指出，3M公司能夠滿足這種3D IC粘接材料的要求。 3M電子市場材料部技術總監程明表示，3M公司能改善粘合劑和聚合物的性能以滿足各種相互沖突的需求。3M的粘合劑是由不同類型的聚合物、低聚物、單聚體、以及必要的助粘劑等組成，能夠滿足IBM的性能要求。 3M表示，公司尚未決定是否將這種3D IC粘合劑出售給其他芯片制造商。 3M與IBM的合作是于近期才宣布，而其實3M公司對3D解決方案的研究已經有一段時間了。 |
