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移動裝置市場火熱發展，刺激3D IC快速起飛。尤其在移動裝置增添裸視3D、擴增實境等功能，以及照相機像素與高畫質影像分辨率規格不斷提升下，目前1.5GHz處理速度的處理器已面臨瓶頸，促使芯片業者采取3D堆棧技術整合DDR3內存，以進一步提高效能。 近期智能型手機又更有進一步的新發展，如美國CTIA無線通訊科技展中，臺灣宏達電新機HTC EVO 3D正式問世。該智能型手機為宏達電首款采用高通（Qualcomm）1.2GHz處理器，并具備裸視三維（3D）影像的Android 2.3操作系統手機，配備500萬像素3D雙鏡頭，以及130萬像素前視頻鏡頭，支持720p高畫質3D和2D影片錄制。 無獨有偶，韓系手機大廠樂金（LG）與三星（Samsung）也陸續發表支持裸視3D的智能型手機。樂金Optimus 3D不僅讓使用者可拍攝3D影片并以裸視方式觀賞，還提供的完整3D體驗，涵蓋3D錄像、3D影像觀賞與內容分享。三星W960則配備主動矩陣式有機發光 二極管（AMOLED）3D顯示器，分辨率可達240×400像素，并內建2D、3D轉換模式。 除了裸視3D外，擴增實境（AR）亦為下一波手機內建的創新功能；隨著智能型手機等移動裝置納入越來越多的功能，同時既有功能規格也不斷提升，處理器的處理速度亦須不斷精進，才能符合市場的需求。 有鑒于移動裝置內建的功能不斷增加，應用處理器（AP）的效能亦須不斷提高，移動裝置處理器大廠包括高通、德州儀器（TI）、意法愛立信（ST- Ericsson）等已開始關注三維芯片（3D IC）技術，以期透過3D IC架構在處理器上增加更多內存容量，進一步提升處理器效能。而處理器業者的關注，也讓3D IC的發展道路更加清晰。 臺灣工業技術研究院信息與通訊研究所設計自動化技術組組長蒯定明表示，提高處理器效能的最主要的方式即增加內存深度，因此現階段移動處理器業者多以 系統封裝（SiP）的方式將處理器與閃存（Flash Memory）整合，不過，這種設計方式，處理器速度最多僅能達到1.5GHz，若要進一步突破處理器效能，則須改以堆棧動態隨機存取內存（DRAM）的 設計方式，因此處理器廠商已開始朝此方向邁進。 雖然用SiP技術亦可達成處理器堆棧DRAM的設計，但其效果將不若采3D IC架構的方案。蒯定明解釋，SiP是將要整合的芯片封裝后，再從封裝后的芯片旁邊打線連接到外部，此一方式的連接效能會受到連外打線延遲影響；若采用 3D IC架構，芯片間的聯系，與對外聯絡都可以直接透過芯片上的打線，可順利解決SiP的問題。由于3D IC具備的優勢較SiP佳，因此處理器廠商已開始重視3D IC技術，并積極投入研發，對3D IC的發展而言將是很大的助力。 另一方面，主導DRAM的標準協會JEDEC提出的Wide I/O新規范中，開宗明義表示該規范除了在DRAM上采用五百一十二根I/O接腳外，并強調支持3D IC架構。臺灣工業技術研究院信息與通訊研究所設計自動化技術組技術組長周永發指出，如此一來，移動裝置處理器廠商若要導入DRAM以提高處理器整體效 能，未來將不得不采用3D IC技術，這也是讓處理廠商開始重視3D IC的主要因素。 蒯定明補充，JEDEC所提的新規范目前仍為草案階段，預計2012年底定，預期未來DDR4也可能采用。 嚴格來說，目前僅內存已正式導入3D IC技術，相關業者如三星、爾必達（Elpida）均積極研發3D IC技術，但伴隨移動裝置對于處理器效能與尺寸的要求越來越嚴苛，目前包括高通、意法愛立信、德州儀器和輝達（NVIDIA）皆已積極發展3D IC架構，甚至聯發科也相當關心3D IC技術的進展。蒯定明認為，在處理器業者的努力下，即使未來3D IC不會成為各種芯片產品必然采用的技術，但對其整體的發展仍將有相當大的推動力。 受到移動裝置在外型尺寸上的持續輕薄化，以及更多元功能的發展，處理器廠商已開始進行更高整合度產品的研發，而提高處理器效能其中一種方法即為半導 體先進制程技術。安謀國際（ARM）策略營銷處長Ron Mooire表示，雖然系統單芯片（SoC）在每個制程世代的演進中皆可持續縮小15%的芯片尺寸，但在低功耗與高速處理速度上將面臨極大的技術門坎，因 此許多廠商開始關注3D IC架構的研發，如臺積電、三星與全球晶圓（GlobalFoundries）等。 3D IC可異質整合更多種類的芯片，因此移動裝置業者冀望透過處理器整合更多的DRAM，來提升效能。Mooire指出，由于摩爾定律已走到瓶頸，再加上 SiP技術封裝組件的效能有限，因此移動裝置主處理器業者在多方考慮下，即便未來仍將持續走到14納米制程，但3D IC將是其產品下一階段另一重要發展技術。 據了解，目前高通與德州儀器仍是采用SiP技術封裝處理器與內存，預期未來將采用3D IC架構。 安謀國際身為移動處理器硅智財（IP）龍頭業者，亦積極協助處理器廠商不斷透過SoC或3D IC等技術提升效能。Mooire認為，雖然安謀國際僅為IP廠商，看似與實際的芯片產品無直接關系，但安謀國際在IP核心架構中結合處理器、繪圖處理器 （GPU）與內存的子系統（Sub-system），已就3D IC技術所需進行微調，并與晶圓廠維持密切的合作，進行3D IC的測試，因此安謀國際的合作伙伴中，第一級（Tier One）處理器業者已計劃采用3D IC的架構。 Mooire并強調，未來無論是手機或平板裝置（Tablet Device）等移動裝置，甚至個人計算機（PC）都會日趨輕薄，因此3D IC將更有機會被采納。 晶圓代工廠技術掌握度高 看準未來3D IC將是半導體產業勢在必行的發展趨勢，臺灣創意電子正積極透過SiP技術的基礎，進一步跨進3D IC技術的研發。由于3D IC發展過程中遇到的挑戰與SiP大致類似，因此創意電子在SoC與SiP所累積的豐富經驗，無疑成為其挺進3D IC市場最佳的技術后盾。 臺灣創意電子營運處SiP/ 3D IC項目處長林崇銘表示，未來印刷電路板面積將持續縮減，芯片設計勢必走向更高整合度，所以半導體業者必須藉由3D IC堆棧芯片技術來減少采用的芯片數量；而發展3D IC所面臨的問題，如半導體設計自動化（EDA）工具不完備，以及如何確保已知良裸晶（Known Good Die）來源等，其實與SiP極為相似，且更加復雜，因此，若無扎實的SiP技術發展基石，則遑論3D IC的研發。 林崇銘進一步指出，雖然3D IC的問題較SiP復雜許多，但是憑借創意電子在SiP設計領域打下的深厚基礎，將可順利解決3D IC技術面所遭遇的挑戰，這也是創意電子毅然決定跨入3D IC的重要因素。 目前創意電子在3D IC的發展尚在起步階段，林崇銘表示，現階段創意電子業務來源仍以SoC與SiP為主，3D IC技術仍未有客戶，預期2013年，3D IC整體生態鏈的建構更完備、市場更成熟之后，創意電子3D IC的業務才會開始起飛，屆時將鎖定移動裝置與高效能組件市場，初步將先整合邏輯與內存，或邏輯與模擬組件，抑或邏輯組件堆棧。在此之前，創意電子也將先 建立2.5D芯片堆棧技術，以順利升級至3D IC。 事實上，目前阻礙業者導入3D IC的一大因素，在于成本過高。林崇銘認為，現階段，3D IC整體供應鏈尚未建置完全是不爭的事實，導致3D IC成本過高，不過，此一雞生蛋、蛋生雞的問題，預計短時間內將可順利解決，原因在于半導體業者對于3D堆棧技術需求已逐漸涌現，不論是采用硅穿孔 （TSV）技術實現的3D IC，或英特爾提出的三閘極（Tri-gate）3D晶體管結構，皆已漸成氣候，意味相關供應鏈亦已有初步的準備，因此未來3D IC的發展與生態系統將可望更趨完備。 3D IC儼然已成為未來超越摩爾定律的重要技術，因而吸引包括晶圓代工廠及封裝廠紛紛搶進。然而，由于硅穿孔技術在晶圓制造前段即須進行，因此晶圓代工廠掌握的技術層級較封裝廠高，在3D IC的技術與市場發展較具優勢。 臺灣南臺科技大學電子系教授唐經洲表示，硅穿孔為3D IC最重要的技術，采用硅穿孔技術的芯片產品才能稱為3D IC，而要進行硅穿孔，較佳的方式是在硅晶圓制造過程中即先行鉆孔，如此一來，遭遇的問題將較少，而晶圓前段制程各項技術屬晶圓廠最為熟知，自然晶圓廠商 在3D IC的制造可掌握較多關鍵技術。 不過，對封裝業者而言，3D IC自然也是不可忽略的商機。唐經洲指出，3D IC屬于SiP技術的一環，擅于將各式晶圓進行封裝工作的封裝廠，亦躍躍欲試。然而，礙于封裝廠的技術多屬于晶圓后段制程，若要取得已經過硅穿孔的晶圓半 成品，依舊須從晶圓廠購得，抑或者再投入龐大的資金建置前段制程，惟目前3D IC發展尚未相當明朗，封裝業者對于龐大的投資能否達到平衡或進一步回收，仍抱持觀望態度，以致于封裝業者在3D IC市場的主導性不若晶圓廠。 雖然目前封裝廠在3D IC市場優勢較為薄弱，但并不代表封裝廠在芯片立體堆棧的市場將完全沒有機會。唐經洲認為，3D IC硅穿孔技術畢竟技術門坎仍相當高，成本依然高昂，因此許多對3D IC有興趣的業者，如應用處理器大廠，即先選擇采用2.5D架構，作為進入3D IC的基礎。唐經洲強調，2.5D架構僅純粹的芯片堆棧，毋須硅穿孔，因此技術難度相對較低，封裝廠可掌握2.5D封裝的關鍵技術，因此現階段封裝廠包括 日月光、硅品皆已投入2.5D封裝技術的發展。 專門提供IC制造設備的住程（SPTS）營銷副總裁David Butler亦表示，就該公司客戶的發展情形來看，2.5D將是半導體產業前進3D IC架構的第一步，包括封測業者與晶圓代工業者目前研發重點皆以2.5D為主，并計劃以此為基礎發展3D IC。 陳瑞銘：3D IC市場尚未全面啟動 觀察整體半導體產業的發展，2011年第三季旺季不旺已成必然，但第四季與2012年，隨著微軟（Microsoft）Windows 7移動裝置產品的問世與超微（AMD）試圖將x86技術進行新的應用，如透過40或28納米實現更低功耗芯片，以及Windows 8將可支持安謀國際、英特爾與超微架構，這些非蘋果（Apple）陣營移動裝置新一波的市場高潮，將更帶動整體半導體產業的發展，除了促進SoC加速朝先 進制程發展外，3D IC將是另一個受惠的技術。 惠瑞捷（Verigy）臺灣分公司總經理陳瑞銘表示，3D IC受到矚目的原因，除了可提高整合度與處理器效能外，更重要的是，毋須透過最先進的制程即可完成，因此主要的晶圓廠與行動處理器廠商勢必進入3D IC的研發。 不過，3D IC硅穿孔技術卻也帶來許多挑戰，陳瑞銘指出，硅穿孔技術仍在初步發展階段，技術質量仍不穩定，且磨薄晶圓的技術門坎也很大，加上產業生態鏈未建立完全， 也沒有統一的標準可供業者遵循。此外，如何測試3D IC質量亦為一大學問，因此3D IC的市場尚未全面啟動，反而是利用在基板上長晶、毋須鉆孔的2.5D技術將成為SiP進展到3D IC的過渡技術。此外，2.5D亦已標準化，以此標準為基礎也將加速3D IC標準的問世。 除了技術的挑戰外，成本亦為3D IC發展不順遂的原因。蒯定明指出，由于目前3D IC產業鏈并未建置完全，因此3D IC的成本仍然相當高昂，導致3D IC將不會成為普遍使用的芯片技術，且應用產品也將鎖定于對高成本組件接受度較大的高階產品。 綜上所述，移動裝置無疑是助長3D IC發展的主要推手，即便仍有諸多挑戰待解，3D IC市場起飛已指日可待。日前剛結束的SEMICON Taiwan中，日月光集團總經理暨研發長唐和明即表示，3D IC將是后PC時代，亦即移動運算時代的主流，即使全球經濟發展速度減緩，各廠推動研發腳步并不停歇。今年以來從上游IC設計、整合組件制造商 （IDM）、晶圓代工廠，到后段封測廠及系統整合廠商，都朝制定邏輯IC和內存連結的共同標準邁進，2011年底即可看到成果，并做為業者開發的依據，預 計2013年將為3D IC起飛元年。 |
