从高速运算到AI，3D IC成高端芯片量产终极解方

随着终端产品的小型化与功能提升，半导体产业面临发展瓶颈。在物理极限的限制下，传统的2D封装技术已无法满足市场需求。因此，各大公司及学研机构纷纷投入3D IC封装技术的研发，希望能开启下一波半导体产业的增长契机。

经过近年来的技术突破与产业链整合，3D IC封装已初步商业化，并应用于各类高端计算芯片。展望未来，随着生态系统日趋成熟，其优势将更加凸显，对半导体产业层面也将产生深远影响。笔者认为，3nm先进制程很重要，但能用的业者很少，对供应链贡献其实不如想像中大，也因此，虽然2023年半导体业界有很多大事已经发生，或正在发生，但以今年来看，实际对全体半导体业界，包括设计、生产、材料、机台、应用等方向影响最大的技术进展，非3D IC莫属。

先进制程面临物理极限，封装技术追不上

随着终端产品的小型化和功能需求提升，半导体产业正面临技术障碍。首先，晶圆制造端正面临物理极限，使得传统的摩尔定律已不再适用。

随着3纳米制程正式量产，这是半导体先进制程迈入另一个里程碑，但与此同时也意味着制程进一步朝极小化方向发展，良率控制和晶体管效能提升的困难度大幅增加。由于在5纳米以下的制程中，生产复杂度呈指数型增长，每前进一个制程节点就需要采用新的关键材料和制程技术，设备厂商如应用材料、东京电子等必须及早准备，才能协助代工厂提高良率。

此外，单颗芯片的制造成本也不再随制程缩小而降低，反而出现逆势增长的情况。根据报告指出，5纳米制程生产一颗芯片的成本高达238美元，反倒高于7纳米的233美元，显示微缩制程已无法再降低成本。

制程微缩也造成量产的难度增加，集中的晶体管会造成散热问题，限制了效能与晶体管整合数量，如果要增加晶体管，那麽就要在芯片散热设计增加更多成本。如果透过3D IC加上chiplet（小芯片）技术来同时撷取先进制程的优点与制造优势，那麽可以大幅降低量产难度与成本，增加利润空间。

其次，封装技术也无法跟上先进制程的发展。过去主要采用2D模式进行封装互连，已无法满足终端产品对于高度整合与广带域传输的需求。

因此，要突破现有的技术瓶颈，各大半导体公司如台积电、三星、英特尔、高通等，纷纷加紧投入资源研发3D IC封装技术，期望能开启半导体产业的新契机。以台积电为例，其已建立CoWoS、InFO等先进封装技术平台，并规划新建封测厂以扩充产能；三星则在扇出式封装取得重要进展，并收购业者扩充实力；英特尔开发出EMIB、Foveros等技术，与台积电形成竞争关系。

在各大厂推动下，3D IC封装技术发展可期，有望为半导体产业注入新动能。

3D IC封装技术优势凸显，各大厂续力开发

在各大半导体公司如台积电、三星、英特尔等业者的积极投入下，3D IC封装技术已初步商业化，应用于高端AI处理器、CPU、GPU、FPGA等产品。以台积电的CoWoS技术为例，它采用2.5D堆叠方式，使用矽穿孔连接芯片与基板，可以提供超过15万个穿孔连接，大幅提升信号密度。英特尔的EMIB技术也利用中介层连接芯片，其优势在于制程较为成熟，采用较大制程节点，降低生产难度。

随着ChatGPT等AI模型需求快速增加，对高速运算的需求大幅提高，堆叠封装技术备受瞩目。台积电的CoWoS平台预计未来每年产能将以30%速度成长，将发展 SOC或Chiplet设计，藉由异质整合提升效能。三星也积极投资扇出封装，提升堆叠技术。

未来重点包括降低成本、提升堆叠层数、改善制程良率等。业者除投资研发外，也必须建构完整生态系，涵盖设计、模拟、制程材料、自动化设备、检测等各层面。设备商也需要开发新一代具高精度的堆叠机台。随着生态系成熟，期待3D IC技术发展能蓬勃开花，驱动半导体产业持续创新。

先进封装吸引产学研投入，打造完整生态系

有监于3D IC封装技术的重要性与潜力，近年来吸引了产业界和学术界大量的投入，期待能打造完整的技术生态系加速商业化。

在业界方面，除了台积电、三星、英特尔等晶圆代工龙头外，许多具特定专长的公司也推出相关解决方案。例如日月光在高密度基板技术具领先地位，其子公司日月光封测已开发多种3D堆叠方案，提供客户整合服务。又以中华映管在显示驱动IC设计的强项加入战局；欧菲光子公司则以光电封装技术着称。

Gozeta和华邦电子都在直接键合技术上累积多年研发实绩。材料大厂杜邦也看好3D IC发展前景，推出多种低介电薄膜和研磨膏等专门产品。

在学术界部分，台湾大学、交通大学、清华大学等都成立相关的研究中心，并与台积电及业界密切合作。教授们带领研究生投入开发新材料、技术、设备等目标。日本东京大学集结多个工程学院的师资力量，在3D IC领域建立完整的课程与研究团队。

这些研究机构为产业培育不少人才，也将理论研究成果透过产学合作，尝试落实到产业应用。国外知名大学如麻省理工学院、格鲁吉亚理工学院、柏克莱加州大学等，也有相当程度的研究投入。

随着越来越多不同领域的企业与机构投入3D IC研发，一个强大的生态系已在悄悄成形。下游应用厂商也给予正面回应，愿意尝试采用3D封装技术。在各方努力之下，未来可望看到整体技术快速成熟，推动整个半导体产业突破成本与性能的限制。

迎接商业化新纪元，3D IC影响层面多元

随着产学研各界持续投入，3D IC封装技术正蓄势待发，未来商业化将为半导体产业带来深远的影响。

在产业面，代工厂将大举投资新时代的封装产线，提升自动化程度以降低成本。业者间合作模式也将更为紧密，需要建立标准化界面以利生态系统整合。此外，中小企业若想参与3D IC供应链，势必要及早布局，发展特定领域的关键技术。

在制程端，TSV和微柱（micro-bump）技术的成熟，将可支持更高密度的堆叠，并提升良率。新型材料的使用也将扩展设计空间。未来甚至可望运用量子隧道效应，以原子层沉积的方式进行键合。这将是革命性的制程突破。

在设计部分，EDA工具需要提供多芯片同步设计与验证的功能。架构师也将善用3D IC的优势，发展崭新的系统概念。此外，中长期来看，工程师将需要全新思维，同时考量软硬件及封装的协同最佳化。

对于环境影响，3D IC封装有机会大幅降低能源消耗，使半导体产业迈向更永续发展。但也需要注意制程使用的化学材料，并研发清洁生产技术。

综观各面向，3D IC的商业化将为半导体产业带来重大改变。业者若能提前做好准备，就能抓住先发优势，在未来的竞争中占得先机。届时将可望看到3D IC广泛应用，开创芯片设计与制造的新纪元。