面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，終端消費(fèi)電子產(chǎn)品在“輕、薄、短、小”的外形尺寸以及多元功能的追求不曾停歇，目前封裝業(yè)研發(fā)重點(diǎn)在于把厚度做最大利用，3D IC技術(shù)是目前唯一能滿足上述需求的關(guān)鍵技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是利用 3D IC堆疊、矽穿孔、TSV等技術(shù)將芯片整合到效能最佳、體積最小的狀態(tài)。
什么是3D IC？
將一只移動(dòng)處理器芯片與獨(dú)立的存儲(chǔ)芯片結(jié)合到一起，這是一種自然發(fā)展出來(lái)的3D結(jié)構(gòu)。而減少IC之間互連的長(zhǎng)度可能會(huì)給移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的性能、功率和封裝尺寸帶來(lái)一種巨大的飛躍，主要?jiǎng)恿褪?D IC。
SoC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)架構(gòu)一直是IC產(chǎn)業(yè)的經(jīng)典。因此，從SoC生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多芯片策略，成為讓大多數(shù)公司望而生畏的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄冮L(zhǎng)期依賴且熟悉支持SoC設(shè)計(jì)流程的現(xiàn)有龐大基礎(chǔ)架構(gòu)。SoC的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程業(yè)已建立，而且也已經(jīng)被設(shè)計(jì)師使用了數(shù)十年。針對(duì)某個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)，代工廠提供了一套設(shè)計(jì)規(guī)則，SoC設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵循這些規(guī)則，以確保代工廠正確地制造SoC。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）公司開發(fā)自動(dòng)化流程，用于協(xié)助設(shè)計(jì)人員分析SoC設(shè)計(jì)，以進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證、連接性檢查、寄生組件參數(shù)擷取，以及布局后硬件仿真等。
相較于在PDK和自動(dòng)化EDA流程中提供既有且經(jīng)驗(yàn)證的SoC基礎(chǔ)設(shè)施，目前還沒(méi)有為多芯片工藝提供類似的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)安全網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)的封裝設(shè)計(jì)仍處于手動(dòng)組裝階段。除了描述預(yù)期設(shè)計(jì)規(guī)則的文本文檔案之外，封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程通常幾乎少有封裝設(shè)計(jì)附帶形式簽核要求。因此，用于封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的EDA工具功能通常也更加簡(jiǎn)單。如果少了支持和驗(yàn)證的自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程協(xié)助，許多傳統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)公司應(yīng)該都不愿意將3D IC市場(chǎng)視為可行的商業(yè)選擇。
各EDA供應(yīng)商正在建立面向3D設(shè)計(jì)的工具
為了緩解3D堆疊IC的挑戰(zhàn)，很多公司都在采用一種中間方式，即2．5D，用一種無(wú)源的硅中介層來(lái)連接各個(gè)片芯。很多業(yè)內(nèi)人士都將2．5D方案看成是到達(dá)3D IC的一個(gè)緩慢上升的遷移路徑。
對(duì)于支持新3D IC項(xiàng)目的EDA工具的選擇，可能會(huì)使實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的方式產(chǎn)生差別。盡管可以采用現(xiàn)有的2D IC工具，但如果增加一些應(yīng)對(duì)3D設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的技術(shù)還是有好處的。大多數(shù)主要EDA供應(yīng)商都對(duì)3D IC采用一種謹(jǐn)慎的觀望態(tài)度，不到最終不會(huì)給自己的2D工具增加功能。同時(shí)，很多較小的EDA供應(yīng)商則正在建立面向3D設(shè)計(jì)的工具。
例如三星電子公司推出了一款3D IC，該公司將一只存儲(chǔ)芯片堆疊在硅片芯上，兩者間采用了（垂直的）TSV（硅通孔）金屬化孔，在芯片的頂部和底部都建立了連接。TSV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一種廣泛的I／O存儲(chǔ)接口，較其它方案的功率降低多達(dá)75％，因?yàn)槠浠ミB與I／O電路的負(fù)載電容較小。
Xilinx公司也在自己新的2．5D SSI（堆疊硅互連）FPGA中采用了這種方法，其主要是在一個(gè)無(wú)源硅中介層上堆疊這些片芯，從而能夠在FPGA之間做出1萬(wàn)多個(gè)互連。SSI較其它方案在每瓦I／O帶寬性能上提高了兩個(gè)以上數(shù)量級(jí)，這也再次說(shuō)明了2．5D與3D在功耗與性能方面的差異。
新的封裝驗(yàn)證技術(shù)
針對(duì)多芯片工藝，我們目前看到代工廠和OSAT公司開發(fā)并提供了3D IC封裝設(shè)計(jì)套件PDK組件。此外，還有組裝級(jí)設(shè)計(jì)套件ADK，實(shí)體驗(yàn)證可經(jīng)由設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）確保封裝的所有組件都以滿足所有制造要求的方式布置。
在SoC市場(chǎng)中，代工廠和第三方為SoC提供預(yù)先驗(yàn)證和預(yù)先表征的IP。SoC設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)要求將這些IP整合于其設(shè)計(jì)中，以及100％的信心IP將按照SoC的規(guī)定工作。目前最大的問(wèn)題之一是如何彌合IC設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)流程之間的當(dāng)前差距。
如果我們將單個(gè)SoC中原有的組件分解為單個(gè)磊晶，將它結(jié)合至3D IC封裝中，而SIP封裝并無(wú)一定形態(tài)，SIP封裝可根據(jù)不同芯片排列方式與不同內(nèi)部結(jié)合技術(shù)的搭配，生產(chǎn)定制化產(chǎn)品，滿足客戶定制化需求，例如采取多種裸芯片或模塊進(jìn)行平面式2D封裝（MCM等）或3D（MCP、SatckDie、PoP、PiP等）封裝，其內(nèi)部的互連技術(shù)可以使用引線鍵合，也可使用倒裝焊或TSV等，還可采用多功能性基板整合組件的方式，將不同組件內(nèi)藏于多功能基板中，最終實(shí)現(xiàn)功能整合。
TSV助力SIP向3D發(fā)展的道路艱險(xiǎn)
TSV和WB金屬線連接以及倒裝FC中的bumping都是一種連接技術(shù)。TSV在芯片間或晶圓間制作垂直通道，實(shí)現(xiàn)芯片間垂直互聯(lián)。相比引線鍵合技術(shù)以及倒轉(zhuǎn)片技術(shù)，TSV連線長(zhǎng)度縮短到芯片厚度，傳輸距離減少到千分之一；可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多片全硅系統(tǒng)集成；可以顯著減小RC延遲，提高計(jì)算速度；顯著降低噪聲、能耗和成本。
TSV最早應(yīng)用于CIS封裝，目前成本較高，主要應(yīng)用于圖像傳感器、轉(zhuǎn)接板、存儲(chǔ)器、邏輯處理器＋存儲(chǔ)器、RF模組、MEMS晶圓級(jí)3D封裝等高端封裝。但目前還面臨很多技術(shù)難題：
1、TSV的不足
3D IC的EDA工具開發(fā)必須起始于TCAD，用于建立TSV物理特性的模型。設(shè)計(jì)人員必須解決TSV會(huì)給靠近過(guò)孔開口處的有源硅區(qū)帶來(lái)應(yīng)力，因?yàn)檫@可能干擾電路的工作。
2、增加平面規(guī)劃級(jí)
由于現(xiàn)有EDA工具都不支持TSV的自動(dòng)化布局與布線，因此必須用當(dāng)前做2D IC設(shè)計(jì)的工具，手動(dòng)地增加工具。要修改2D工具與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)使之支持3D IC概念，會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)中，最典型的就是3D IC改變了2D設(shè)計(jì)的布局，增加了通過(guò)TSV做連接的背面金屬層。
在平面規(guī)劃與布局階段給一只芯片增加了TSV以后，下一個(gè)挑戰(zhàn)將是連接分配。布線工具必須能夠分配連接，并優(yōu)化通過(guò)TSV連接到背面凸塊的線長(zhǎng)。對(duì)于3D IC設(shè)計(jì)，將一只3D芯片看成一組2D塊去作物理實(shí)現(xiàn)，從而可以實(shí)現(xiàn)3D設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，但會(huì)導(dǎo)致一系列新問(wèn)題，如設(shè)計(jì)分區(qū)、TSV分配、跨片芯的接口、電源與地的分布，以及相應(yīng)的IR降與溫度分析等。
3、定制工具
3D IC設(shè)計(jì)工具的市場(chǎng)一直過(guò)于狹小，無(wú)法吸引大型EDA公司的投入。普通的布局工具無(wú)法處理用于2D設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方案，即將所有獨(dú)立的數(shù)據(jù)組織成為一個(gè)大文件。而Max－3D則能夠在每個(gè)晶圓級(jí)上維護(hù)技術(shù)文件，并有一個(gè)用于TSV互連的獨(dú)立文件。
設(shè)計(jì)者通常不愿意去轉(zhuǎn)換工具，或改變自己的2D流程，除非可以將一個(gè)普通IC布局工具用于自己的3D設(shè)計(jì)。然而，在某些時(shí)候，普通工具無(wú)法應(yīng)付處理所需數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模。
4、3D分區(qū)的設(shè)計(jì)工具
現(xiàn)在，制造商們提供用于3D IC早期規(guī)劃和分區(qū)的工具。例如，Atrenta公司在SpyGlass－Physical Advanced工具中提供RTL原型技術(shù)，用于3D IC的早期規(guī)劃與分區(qū)。2D的Atrenta SpyGlass工具使設(shè)計(jì)者能夠在設(shè)計(jì)周期的前期就開始做物理實(shí)現(xiàn)的可行性分析，此時(shí)RTL可能還未完成。可以用它對(duì)多個(gè)平面規(guī)劃配置做虛擬化與評(píng)估，分析實(shí)現(xiàn)的可行性，選擇適當(dāng)?shù)墓鐸P，創(chuàng)建物理分區(qū)，以及生成針對(duì)IP和SoC實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)。
對(duì)于3D IC，必須找到一種能跨多級(jí)對(duì)設(shè)計(jì)分區(qū)的方式，并了解TSV對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的影響，這樣才能做早期的平面規(guī)劃。
5、測(cè)試3D堆疊
測(cè)試問(wèn)題是3D堆疊片芯的另外一個(gè)挑戰(zhàn)。在3D IC的測(cè)試中有三大問(wèn)題：確認(rèn)好片芯、在封裝堆疊中后為需重測(cè)片芯提供通道、以及為封裝內(nèi)做片芯間互連的TSV提供通道。
3D芯片級(jí)測(cè)試品質(zhì)意味著什麼？
在進(jìn)行3D測(cè)試之前，晶圓首先要經(jīng)歷晶圓測(cè)試；有些芯片可通過(guò)測(cè)試，另一些則否。通過(guò)測(cè)試的裸晶繼續(xù)進(jìn)行封裝，然后進(jìn)行封裝測(cè)試，在這些環(huán)節(jié)還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多不合格件。
1、傳統(tǒng)晶圓和封裝測(cè)試的比較
2、3D堆疊IC的晶圓與封裝測(cè)試比較
如果裸晶缺陷覆蓋率是95％，則10層芯片堆疊的最終封裝良率將會(huì)是60％。顯然地，如果5％的逃脫率導(dǎo)致40％的最終產(chǎn)品被丟棄，這并不是我們希望看到的。
3、嵌入式測(cè)試壓縮和邏輯內(nèi)建自測(cè)試組合的優(yōu)點(diǎn)
3D封裝需要非常高品質(zhì)的晶圓級(jí)測(cè)試，以便只有“良品裸晶”被封裝在一起。3D測(cè)試還需要已知合格的中介層、部份堆疊測(cè)試、TSV和封裝測(cè)試。
邏輯內(nèi)建自測(cè)試元件使系統(tǒng)自我測(cè)試成為可能，這對(duì)于汽車或醫(yī)療應(yīng)用的IC尤為重要。添加單元內(nèi)和非傳統(tǒng)失效模型則能夠使設(shè)計(jì)中數(shù)位邏輯元件的測(cè)試品質(zhì)達(dá)到可接受的程度。除此之外還需要測(cè)試嵌入式IP、I／O以及TSV。
對(duì)于I／O和TSV，因?yàn)闊o(wú)法保證與ATE的電氣接觸，測(cè)試必須在非接觸形式下進(jìn)行。這是一個(gè)有待研究的領(lǐng)域；其中一種有趣的做法是使用邊界掃描途徑，為部份封裝的元件進(jìn)行晶圓級(jí)測(cè)試，以及封裝內(nèi)芯片之間的互連測(cè)試。
總結(jié)：
未來(lái)幾十年內(nèi)，3DIC都將憑借著更低的成本、更小的體積，以及推動(dòng)芯片功能進(jìn)化等優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新典范，而3D堆棧DRAM和3D邏輯SoC應(yīng)用將成為推動(dòng)3DIC技術(shù)獲得大量采用的最主要驅(qū)動(dòng)力，接下來(lái)依序是CMOS影像傳感器、功率組件和MEMS等。所謂的wide I／O接口以及在28nm采用TSV技術(shù)來(lái)大量制造移動(dòng)／平板產(chǎn)品專用應(yīng)用處理器芯片的情況也將有可能發(fā)生。但事實(shí)上，要成功推動(dòng)3DIC，除了技術(shù)問(wèn)題，還涉及到復(fù)雜的供應(yīng)鏈部份，它要改變的層面非常多。因此，包括三星和臺(tái)積電（TSMC）在內(nèi)的晶圓代工巨擘們，都不停針對(duì)3DIC展開垂直整合布局，希望能滿足領(lǐng)先無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司，如高通、博通、Marvell、NVIDIA和蘋果的需求，以及其它采取輕晶圓廠策略的業(yè)者如德州儀器、意法半導(dǎo)體和NEC ／瑞薩等。
未來(lái)在拓展3DIC業(yè)務(wù)時(shí)，業(yè)界必須尋求所謂的“虛擬IDM”模式，其中包括TSV蝕刻填充、布線、凸塊、晶圓測(cè)試和晶圓級(jí)組裝在內(nèi)的中階晶圓處理部份，有報(bào)告指出，其市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá)38億美元。另外，后段的組裝和測(cè)試部份，如3DIC模塊等，預(yù)估將