TSV技术持续突破 可望提升3D IC异质架构应用

3D IC技术可以快速扩展现有产品的功能与效能，但制程复杂度与成本较高。3D EDA

电子产品、移动设备持续朝轻薄短小趋势发展，为求微缩载板面积，核心运算芯片、关键功能芯片异质封装需求骤增，直通矽晶穿孔封装技术日趋成熟，除有助于3D IC发展外，利用TSV组构异质元件于封装体内，也可呼应未来极度微缩的产品设计需求...

直通矽晶穿孔封装技术(Through Silicon Via；TSV)可以说是发展3D IC的关键技术之一，近年国际大厂投注大量研发资源开发直通矽晶穿孔封装相关周边技术研发，目前在制程技术已有突破，这可在未来3D IC应用上，运用直通矽晶穿孔封装技术进阶实践异质核心的高密度封装架构整合，也能支持智能手机、平板电脑甚至是穿戴电子装置的极度薄化微缩设计目标。

TSV技术为发展3D IC关键

运用直通矽晶穿孔封装技术，可以在单一封装体内，极度缩短不同核心芯片间的数据传导路径，可达到提升信号品质、提升传输效能、降低传导杂讯干扰问题等优点。同时，也因为芯片间传输线路大幅缩短，又是在封装体内完成传输，驱动信号传输所耗费的功耗可以大幅减低，是一举数得的芯片传导技术方案。甚至于直通矽晶穿孔封装技术亦可用于异质多核心芯片的封装架构整合应用，迎合未来穿戴应用或是嵌入式应用平台装置，要求轻薄、节能兼具的严苛设计要求。

3D IC经常使用的分类形式，为以矽穿孔技术之制程处理顺序分类，依制程顺序大致可以分成Via First(先穿孔)、Via Middle(中穿孔)与Via Last(后穿孔)等三种。先穿孔Via First是指于晶圆制作前即进行矽穿孔制程；中穿孔Via Middle是元件制程之后与导线进行制作之前处理矽穿孔制程；后穿孔Via Last为在晶圆后段导线制作BEOL(Back end of line)后进行矽穿孔处理。

3D IC技术积极推进

目前3D IC关键技术屡有突破性进展，相关技术已日趋成熟，尤其在制程成本压缩、良率控制与成品的特性一致性上，已能逐渐显现3D IC的经济效益。而3D IC技术导入量产产品，也将让原有发展趋近瓶颈的相关应用有了新的技术突破点，尤其在高效能处理器、影像传感器、存储器等集成电路产品，也可得益于3D IC制程，产生大幅度的功能跃进。

在高效能处理器方面，其实在移动设备市场不断推进下，嵌入式处理器的高效能化发展已成为相关业界关注的课题。一如前文提及3D IC制程技术可以有效缩短Data Bus导线长度，大幅改善数据传输效能与减少数据传输延迟，同时获益更低的功耗与杂讯问题，运用同质核心的堆叠重组，可以在原有仅有单核心的芯片面积制作出同质多核心高效运算处理(Homogeneous multi-core processor)方案，在不更改硬件线路与元件布局的前提下，倍数提升产品的整体运算效能。

3D IC可因应同质？异质多核心整合

而透过高规格的3D IC关键技术互连封装，也可实现异质多核心的进阶封装整合运用，将多种功能之异质芯片以3D IC技术加以整合封装，将可有效减少PCB零件的使用数量，可更进一步将终端产品的构型体积大幅微缩。但异质芯片整合成本仍高，加上矽穿孔技术制程加工工法的成熟度、芯片制造良率等问题，仍影响着封装制程的应用成本。

除整合高效处理器与多核心封装应用外，在CMOS影像传感器制造上也可善用3D IC制程提升产品效益。CMOS影像传感器产品的设计需求为高效能、低噪讯、小型化，甚至必须要与相关芯片进行整合，有效缩小拍摄模块的PCB占位面积。封装体内导入矽穿孔技术方案，经由芯片内连接与Package Substrate相连，将CMOS芯片尺寸进行微缩，便可以因采用芯片内互连将信号传输速度提升，如Samsung、Toshiba等已有将3D IC技术导入影像传感器产制应用。

利用TSV制程  可以快速扩展产品功能

除上述集成电路产品应用外，亟需3D IC效益提升产品特性的产品，以存储器芯片最具成效。

因为随着3C产品对于储存容量要求越来越高，存储器的效能表现要求提升，透过3D IC整合优化，可以在存储器芯片还未能有突破性性能与规格扩展的前提下，先透过多芯片的堆叠，搭配直通矽晶穿孔封装技术制作各记忆芯片间的封装内连结，透过3D IC技术可让原有占位面积的存储器封装体，达到数倍存储容量的倍数提升，而在提升容量的同时，还可维持高效能的数据传输表现，甚至进一步若可与运算逻辑核心整合，在运算处理撷取存储器的输入？输出(I/O)效能还可大幅提升。

运用直通矽晶穿孔封装技术，可以在提升效能与元件功能的同时，维持原有元件该有的电性表现，例如I/O的传输效能或是驱动需求等，而在透过直通矽晶穿孔封装技术建构的芯片内连结架构下，可在封装体内整合同质芯片或异质芯片，甚至于运用在封装体以更高速的传输与处理设计，让整体芯片的运行效能大幅提升，同时又可保有原设计硬件电气规格要求，优点相当多。

3D IC制程在2015年将有突破性进展

藉由3D IC整合技术，可以让原有的芯片产品，在关键核心技术尚未有巨幅突破的现况下，利用多芯片堆叠与连接整合，可以再让原产品特性有倍数的性能或是功能提升。截至目前为止，应用3D IC制作技术提升功能性的产品，已有快闪记忆、影像传感元件、嵌入式处理器、功率放大器...等产品量产，业界预计，在直通矽晶穿孔封装技术与相关3D IC技术逐步成熟下，2015年将会在量产良率、成本表现更佳，也极可能达到更趋完整的Full 3D IC产品整合目标。

至于3D IC最大的挑战在于，传统的2D IC设计在产品问题分析与可靠度检测上，仅需考量芯片内部不同芯片或封装间的连接与电性差异，但在3D IC应用范畴，验证分析不仅需考虑到2D IC原有的系统问题外，还需延伸到多层芯片间的直通矽晶穿孔封装结构与连接通道电性表现，除芯片与芯片间的堆叠结构复杂度大幅提升，设计工具与应用方法也会更趋复杂化。

在IC封装体内导入直通矽晶穿孔封装最大的设计门槛在于，若要将3D的芯片堆叠概念导入封装结构中，在元件芯片势必经过薄化制程处理，而功能芯片薄化制程处理过后，会使得其元件易受应力损坏其核心功能，而经过堆叠与制程加工也必须考量材料的堆叠结构与应力匹配现况，避免结构上的问题影响到芯片的功能可靠度。

EDA工具也需随3D IC技术与时俱进

除此之外，各功能芯片在极度薄化与堆叠后，各芯片实际电性表现也会与单独封装状况表现差不多，但当同时透过直通矽晶穿孔封装建构内连结搭配多芯片堆叠的3D IC架构下，各芯片产生的运作热能也会重复累加，封装体产生的热能散热需求可能会较一般2D IC产品更高。

目前已有利用直通矽晶穿孔封装内连接孔隙的方式改善3D IC的散热效能，例如以在单纯数据传输的直通矽晶穿孔连接孔隙较小，而纾解内部散热问题的直通矽晶穿孔孔隙较大的方式来改善散热效率，但这也会导致直通矽晶穿孔封装处理的复杂度增加，如何在芯片上制造不同目的、尺寸之矽穿孔处理，也需要更深入研究开发进行制程改善。

3D IC除制程上的问题更趋复杂，由多功能芯片堆叠与内连结的电性表现，也需要更多实做生产持续优化制程。此外，另一个最大的困扰在于3D IC的EDA(Electronic design automation)设计工具需求。因为3D IC技术仍相当新颖，在EDA的芯片设计、整合与验证模拟，虽可透过功能改善提供布局与设计工具，但实际在EDA的模拟验证上却会因为相关参数有限而不见得能提供具参考性的计算验证成果，在3D IC需求渐增之下，相关的开发工具也必须同步提升因应设计需求。