半导体业发展模式孕育新一轮变革

半导体业发展模式孕育新一轮变革

TSV封装带来新游戏规则

       各种TSV装技术的成功量产商用，将会带来一种新的游戏规则，封装革命已是一种最好的超越对手的方式。

       近期半导体业发展中有两大趋势即SoC系统级芯片及SiP系统级封装。按逻辑思维，SoC是通过IC设计方法把多个芯片功能集成在一起，因此对于IC设计、验证及测试等都提出了新的挑战，所以SoC比较适用于量大面广的芯片，否则成本降不下来。SiP是利用封装技术，实现多个芯片而且是异质架构产品的集成，由此SiP又可延伸为采用TSV的2.5D与3D封装技术，十分类似于多层印制板电路产品。3D封装的原理概念早已提出，然而涉及标准、产业分工等问题，产业化过程缓慢。如今业界对于3D封装寄予厚望，认为将掀起半导体业中超越摩尔定律的又一次革命。

封装技术掀起革命

       所谓2.5D是将多颗主动IC并排放到被动的硅中介层上，因为硅中介层是被动硅片，中间没有晶体管，不存在TSV应力以及散热问题。通过多片FPGA的集成，容量可以做到很大，避开了新工艺大容量芯片的良率爬坡期，并因解决了多片FPGA的I/O互连问题而大幅降低了功耗。

       3D是指把多层芯片采用微凸块及硅通孔技术(TSV)堆叠在一起。微凸块是一种新兴技术，面临非常多的挑战。一是两个硅片之间会有应力，举例来说两个芯片本身的膨胀系数有可能不一样，中间连接的微凸块受到的压力就很大，一个膨胀快，一个膨胀慢，会产生很大的应力。二是在硅通孔时也会有应力存在，会影响周围晶体管的性能。三是热管理的挑战，如果两个都是主动IC，散热就成为很大的问题。所以行业需要解决上述三个重要挑战，才能实现真正的3D封装。

       一般在晶圆制造CMOS结构或者FEOL步骤之前完成硅通孔，通常称作Via first。因为TSV的制作在fab的前道工艺即金属互联层之前进行，此种方式在微处理器领域研究较多，可作为SoC的替代方案。

       而将TSV放在封装阶段，通常称之为Via last。这种方式的优势是可以不改变现在的IC制造流程和设计。采用Via last技术即在芯片的周边进行通孔，然后进行芯片或者晶圆的多层堆叠。此种方式目前在存储器封装中盛行。

       TSV通孔工艺需要几何尺寸的测量，以及对于刻蚀间距和工艺可能带来的各种缺陷检测。通常TSV的孔径在1~50微米，深度在10~150微米，纵宽比在3~5甚至更高。每个芯片上通孔大约在几百乃至上千个。

       目前能实现3D封装的只是存储器芯片，如东芝于2013年2月采用19nm空气隔离技术生产出64GB与128GB的NAND闪存，并通过减薄至30微米，将16层芯片堆叠于一体，采用引线键合方法，作成容量达1024GB的薄型封装。

       三星也于2013年8月宣布开始量产128GB NAND 3D闪存。而意法半导体的MEMS也实现了3D封装，因为它面临的发热等问题小一些。

面临三大难题

       如果我们无法解决价格问题，那么TSV的发展道路将更加漫长。目前TSV在价格与成本之间仍然存在极大的挑战，加上新技术的不确定性所隐含的风险，以及实际的量产需求，形成了TSV技术所面临的三大难题。

       部分业界人士认为，到2014年，智能手机用的移动应用处理器可能会采用TSV技术，成为率先应用TSV量产的产品。日本JEDEC正在拟订一个支持TSV的Wide I/O存储器界面的方案，其目标是成为下一代采用层叠封装(PoP)的低功耗DDR3连接的继任技术。

       市场调研机构Yole Developpement稍早前发布了一份针对3D IC与硅通孔(TSV)的调查报告指出，2011年所有使用TSV封装的3D IC或3D-WLCSP平台(包括CMOS影像感测器、环境光感测器、功率放大器、射频和惯性MEMS元件)等产品产值约为27亿美元，而到了2017年，产值可望增长到400亿美元，占总半导体市场的9%。

       因此，从目前掌握的情况看，要实现异质架构的、不同IC之间的真正3D封装，至少还需要3~4年的时间。无论是2.5D还是3D，各种TSV封装技术的成功量产商用，将会带来一种新的游戏规则。在摩尔定律越来越难走、新的半导体工艺迈向1xnm越来越昂贵的今天，封装革命已是一种最好的超越对手的方式。

       450mm硅片、EUV光刻及TSV 2.5D与3D封装三大关键技术本来互不相干，但是相互之间会有此消彼长的效果。目前究竟那项技术走在先，尚难说清。因为半导体业是一项规模产业，仅小批量生产也不行，价值要体现在销售额中。

       近时期半导体业的增长已趋缓，可能与尺寸缩小面临极限等因素有关。相信当三大技术获得突破之际，将推动产业进入又一轮的高增长。然而这三项技术由于难度都特别大，发展都不会一帆风顺，而在此过程中半导体产业将面临产业结构与发展模式等新一轮的重组与变革。