研發能量整合 工具技術到位 3D IC前景可期

FPGA產品已開始導入2.5D IC技術，以低成本快速擴增產品的內嵌記憶體容量。XILINX

3D IC製程技術對於IC產業來說，為近期快速提升晶片功能、效能，同時可以兼顧微縮設計方向的新整合技術，隨著業界持續朝整合關鍵製程、技術方向，同時在3D IC開發相關資源、EDA工具相繼到位，加上已有MCU、FPGA產品導入3D IC量產，未來3D IC發展值得期待...

3D IC若能在良率與成本獲得改善，以3D IC的產品概念而言，是極具成本優勢的晶片產製方案，若對比傳統2D型態的SoC產製技術，傳統設計會因為SoC功能變更而增加成本，因為產品需重新設計傳統設計方案需同時更改光罩進行產品重製，這也造成成本居高不下的主因。

3D IC製作技術具多項技術優勢

反觀3D IC的製作方案，由於基本製作程序即為利用IC中的各功能晶片彼此以垂直向堆疊，反而晶片為採模組化設計方案建構，若部分功能調動，這表示僅需修改單一功能模組對應的晶片光罩，修改規模與複雜度相對限縮許多，製作過程還可針對每個晶片特性進行最佳化製程微調，降低晶片產製初期的投入成本，同時加速產品推出時程，如此一來不僅可以降低產製新晶片的資本投入，同時也可針對每個IC產製問題環節，重點改善IC的製程良率。

尤其是在智慧型行動商品的快速成長驅動下，電子產品對於終端設計的外型體積要求持續增加，不但要做到越來越小，還得在不損性能前提同時達到節能、高效能、低成本的眾多產品要求！

3D IC為ITRS重點整合目標

長期以來， ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)在2007年即將3D IC的整合目標，置入發展藍圖中，ITRS為由歐洲、日本、韓國、台灣與美國等五大主要IC製造區域發起的組織，分別由歐洲ESIA、日本JEITA、韓國KSIA、台灣TSIA與美國SIA共同籌組，目的在透過開發資源整合，加速IC產業能在成本與效益基礎下達到性能改善目標。即便3D IC不見得要使用目前最前衛的製程來改善晶片效能，但實際上在3D IC基礎上進行晶片功能整合，產品複雜度並不亞於SoC這類產品的設計方案。

正由於3D IC的製作概念較新穎，雖具極高可行性，但同時也因為製程方式不同帶來更多衍生問題尚待推出對應策略改善製程，目前在亞洲、歐洲與美國，大多已成立相關研發聯盟進行3D IC新技術研發，而這些研發聯盟的具體整合方式，為透過異業結合型態，來整合如同3D IC周邊開發資源，建構如虛擬之3D IC IDM(Integrated Device Manufacturer)製造模式，而與一般IDM極大不一樣的是這些聯盟均由各領域專精的業者進行資源整合，等於在3D IC產業中建構整合材料、儀器、製程與封裝測試之Eco System，利用專業分工的形態達到垂直整合的服務效果。

3D IC各領域交互整合研發、製作資源

例如Ad-STAC(Advanced Stacked-System Technology and Application Consortium)為2008年台灣工研院結合茂德、漢民、旺宏、巴斯夫(BASF)、力晶、南亞、矽品、布魯爾科技...等半導體業者主導成立的3D IC研發聯盟，期望建構一個跨產業的立體堆疊晶片研發平台，近似的整合聯盟，也可在不同區域發現。

3D IC的IDM觀念，因不同團隊的所處地域差異，組成結構與效用也會有所不同，有以製程整合優勢較高的晶片材料廠、晶片封裝廠、晶圓代工廠與製造設備業者組成，也有以制定產業標準為主的研究與學術單位，組成狀態與對3D IC產業產生的效益各有不同。

EDA工具持續改善 加強3D IC設計效率

除產業各製造、技術開發環節的交互結盟外，3D IC相關的EDA(Electronic design automation)工具相繼完備，也是加速3D IC產業快速成熟的關鍵。因為在早期3D IC相關製作概念方興未艾時，針對3D IC產業需求之EDA工具尚未完備，使3D IC開發無法充分利用自動化設計工具，使相關產品初期的投入開發成本過高，同時也無法利用軟體工具加速研發速度。

早期在無3D IC設計支援之EDA工具時，為了開發2.5D或3D IC，勢必使用現存之2D IC的開發EDA工具來進行產品研發，早期的作法是將3D設計視為是數層2D IC的設計組合，利用2D IC開發工具來進行分層設計開發，利用2D EDA工具進行產品模擬與分析實作，而處理各層2D IC晶片的演算法不需進行大幅更動，唯一要加強處理的是各層 2D IC間的TSV層的實體與電氣模型，使用2D IC EDA工具搭配TSV驗證模型整合開發流程，達到以2D IC EDA軟體工具來進行3D IC開發的折衷應用。

但這種如同拼裝車的設計方案，其實在初期經驗與工具不足的開發環境下，可能還可以勉強適用，但因為若TSV層的電氣模型出現誤差，處理模擬3D IC的設計工作就會出現問題，這會影響產品後段進行最佳化與高準確度設計時，3D IC設計會因為EDA工具的限制而造成開發時程過於冗長。

利用3D IC專用EDA協助研發 快速解決3D IC設計問題

隨著半導體電子設計自動化相關EDA工具，也相繼加入3D IC設計方案，對於採3D IC設計概念之產品可利用對應工具加速整合速度，例如Synopsys即針對3D IC設計需求，預計針對關鍵應用開發適合3D IC製程的EDA工具產品，讓現有進行3D IC開發的業者不需再以舊EDA工具來進行3D IC研發工作，加速處理在產製3D IC才會碰到的技術改善方案，提升產品研發效率，縮短IC晶圓廠、封裝廠解決3D IC產生的製程問題處理時間。

除Synopsys外，也有多家EDA軟體廠，針對3D IC設計必須進行之TSV、2.5D IC、Micro Bump、Silicon Interposer等重點技術相繼提出軟體EDA解決方案，也因為3D IC的技術門檻較高，對於軟體EDA工具的產品推出，初期在經驗值有限的限制下，各家軟體較無法快速推出解決方案，但這些問題在相關廠商逐漸累積夠多的開發經驗後，已逐步獲得改善與解決。

除了EDA工具逐步整合3D IC關鍵設計需求外，目前已有2.5D/3D IC整合產品量產，例如早期採行3D IC設計架構的應用多以記憶體相關產品為多，一方面是記憶體IC可以利用3D IC技術快速擴充單位元件的儲存容量，同時3D IC的TSV技術可以讓容量增加、元件增多的同時，傳輸介面I/O不致於因為堆疊晶片增加而過度增加I/O功耗，因此記憶體設計方案為早期積極導入3D IC設計方案的重點產品。

MCU、MPU、FPGA相繼導入3D IC技術 提升競爭力

除記憶體外，目前已有MCU、MPU、FPGA等產品，亦相繼導入3D IC製作架構，利用3D IC高度功能整合特性，快速提升產品的性能與功能！例如，Xilinx推出2.5D IC技術、容量提高四倍之FPGA產品，即可因應堆疊晶片整合技術，讓原先FPGA產品在晶片體積維持的架構下，大幅擴充產品的儲存容量，而透過內部TSV連結的記憶體元件，亦可維持高效能連結與低功耗運作之設計要求。此外，Xilinx針對行動裝置設計的微處理器MPU，因應終端裝置的輕薄短小趨勢，也推出了整合記憶體的整合型產品，採用3D IC技術進行後期研發。

另在針對智慧電錶應用產業方面，因為智慧電錶需要低功耗、小尺寸、低成本的MCU設計方案，導入3D IC技術架構，正可為智慧電錶解決方案提供更完整、全面的技術支援，相關的微控制器業者，已計畫導入3D IC之堆疊技術，將現有的解決方案改以更高整合度的小型晶片尺寸取代，同時達到縮小體積、降低功耗、散熱改善等產品改善重點。

例如，TI(Texas Instruments)針對Smart Grid智慧電錶應用，推出新的16位元MCU微控制器MSP430F67xx進階版產品，這款晶片以堆疊多片裸晶、搭配3D IC TSV矽穿孔技術進行產品整合，在達到智慧電網產品MCU功能要求，同時兼具壓縮解決方案整體產品尺寸、製造成本，應用3D IC技術強化智慧電表MCU解決方案競爭力。