TSV技術持續突破 可望提升3D IC異質架構應用

3D IC技術可以快速擴展現有產品的功能與效能，但製程複雜度與成本較高。3D EDA

電子產品、行動裝置持續朝輕薄短小趨勢發展，為求微縮載板面積，核心運算晶片、關鍵功能晶片異質封裝需求驟增，直通矽晶穿孔封裝技術日趨成熟，除有助於3D IC發展外，利用TSV組構異質元件於封裝體內，也可呼應未來極度微縮的產品設計需求...

直通矽晶穿孔封裝技術(Through Silicon Via；TSV)可以說是發展3D IC的關鍵技術之一，近年國際大廠投注大量研發資源開發直通矽晶穿孔封裝相關周邊技術研發，目前在製程技術已有突破，這可在未來3D IC應用上，運用直通矽晶穿孔封裝技術進階實踐異質核心的高密度封裝架構整合，也能支援智慧手機、平板電腦甚至是穿戴電子裝置的極度薄化微縮設計目標。

TSV技術為發展3D IC關鍵

運用直通矽晶穿孔封裝技術，可以在單一封裝體內，極度縮短不同核心晶片間的資料傳導路徑，可達到提升訊號品質、提升傳輸效能、降低傳導雜訊干擾問題等優點。同時，也因為晶片間傳輸線路大幅縮短，又是在封裝體內完成傳輸，驅動訊號傳輸所耗費的功耗可以大幅減低，是一舉數得的晶片傳導技術方案。甚至於直通矽晶穿孔封裝技術亦可用於異質多核心晶片的封裝架構整合應用，迎合未來穿戴應用或是嵌入式應用平台裝置，要求輕薄、節能兼具的嚴苛設計要求。

3D IC經常使用的分類形式，為以矽穿孔技術之製程處理順序分類，依製程順序大致可以分成Via First(先穿孔)、Via Middle(中穿孔)與Via Last(後穿孔)等三種。先穿孔Via First是指於晶圓製作前即進行矽穿孔製程；中穿孔Via Middle是元件製程之後與導線進行製作之前處理矽穿孔製程；後穿孔Via Last為在晶圓後段導線製作BEOL(Back end of line)後進行矽穿孔處理。

3D IC技術積極推進

目前3D IC關鍵技術屢有突破性進展，相關技術已日趨成熟，尤其在製程成本壓縮、良率控制與成品的特性一致性上，已能逐漸顯現3D IC的經濟效益。而3D IC技術導入量產產品，也將讓原有發展趨近瓶頸的相關應用有了新的技術突破點，尤其在高效能處理器、影像感測器、記憶體等積體電路產品，也可得益於3D IC製程，產生大幅度的功能躍進。

在高效能處理器方面，其實在行動裝置市場不斷推進下，嵌入式處理器的高效能化發展已成為相關業界關注的課題。一如前文提及3D IC製程技術可以有效縮短Data Bus導線長度，大幅改善資料傳輸效能與減少資料傳輸延遲，同時獲益更低的功耗與雜訊問題，運用同質核心的堆疊重組，可以在原有僅有單核心的晶片面積製作出同質多核心高效運算處理(Homogeneous multi-core processor)方案，在不更改硬體線路與元件佈局的前提下，倍數提升產品的整體運算效能。

3D IC可因應同質？異質多核心整合

而透過高規格的3D IC關鍵技術互連封裝，也可實現異質多核心的進階封裝整合運用，將多種功能之異質晶片以3D IC技術加以整合封裝，將可有效減少PCB零件的使用數量，可更進一步將終端產品的構型體積大幅微縮。但異質晶片整合成本仍高，加上矽穿孔技術製程加工工法的成熟度、晶片製造良率等問題，仍影響著封裝製程的應用成本。

除整合高效處理器與多核心封裝應用外，在CMOS影像感測器製造上也可善用3D IC製程提升產品效益。CMOS影像感測器產品的設計需求為高效能、低噪訊、小型化，甚至必須要與相關晶片進行整合，有效縮小拍攝模組的PCB佔位面積。封裝體內導入矽穿孔技術方案，經由晶片內連接與Package Substrate相連，將CMOS晶片尺寸進行微縮，便可以因採用晶片內互連將訊號傳輸速度提升，如Samsung、Toshiba等已有將3D IC技術導入影像感測器產製應用。

利用TSV製程  可以快速擴展產品功能

除上述積體電路產品應用外，亟需3D IC效益提升產品特性的產品，以記憶體晶片最具成效。

因為隨著3C產品對於儲存容量要求越來越高，記憶體的效能表現要求提升，透過3D IC整合優化，可以在記憶體晶片還未能有突破性性能與規格擴展的前提下，先透過多晶片的堆疊，搭配直通矽晶穿孔封裝技術製作各記憶晶片間的封裝內連結，透過3D IC技術可讓原有佔位面積的記憶體封裝體，達到數倍存儲容量的倍數提升，而在提升容量的同時，還可維持高效能的資料傳輸表現，甚至進一步若可與運算邏輯核心整合，在運算處理擷取記憶體的輸入？輸出(I/O)效能還可大幅提升。

運用直通矽晶穿孔封裝技術，可以在提升效能與元件功能的同時，維持原有元件該有的電性表現，例如I/O的傳輸效能或是驅動需求等，而在透過直通矽晶穿孔封裝技術建構的晶片內連結架構下，可在封裝體內整合同質晶片或異質晶片，甚至於運用在封裝體以更高速的傳輸與處理設計，讓整體晶片的運行效能大幅提升，同時又可保有原設計硬體電氣規格要求，優點相當多。

3D IC製程在2015年將有突破性進展

藉由3D IC整合技術，可以讓原有的晶片產品，在關鍵核心技術尚未有巨幅突破的現況下，利用多晶片堆疊與連接整合，可以再讓原產品特性有倍數的性能或是功能提升。截至目前為止，應用3D IC製作技術提升功能性的產品，已有快閃記憶、影像感測元件、嵌入式處理器、功率放大器...等產品量產，業界預計，在直通矽晶穿孔封裝技術與相關3D IC技術逐步成熟下，2015年將會在量產良率、成本表現更佳，也極可能達到更趨完整的Full 3D IC產品整合目標。

至於3D IC最大的挑戰在於，傳統的2D IC設計在產品問題分析與可靠度檢測上，僅需考量晶片內部不同晶片或封裝間的連接與電性差異，但在3D IC應用範疇，驗證分析不僅需考慮到2D IC原有的系統問題外，還需延伸到多層晶片間的直通矽晶穿孔封裝結構與連接通道電性表現，除晶片與晶片間的堆疊結構複雜度大幅提升，設計工具與應用方法也會更趨複雜化。

在IC封裝體內導入直通矽晶穿孔封裝最大的設計門檻在於，若要將3D的晶片堆疊概念導入封裝結構中，在元件晶片勢必經過薄化製程處理，而功能晶片薄化製程處理過後，會使得其元件易受應力損壞其核心功能，而經過堆疊與製程加工也必須考量材料的堆疊結構與應力匹配現況，避免結構上的問題影響到晶片的功能可靠度。

EDA工具也需隨3D IC技術與時俱進

除此之外，各功能晶片在極度薄化與堆疊後，各晶片實際電性表現也會與單獨封裝狀況表現差不多，但當同時透過直通矽晶穿孔封裝建構內連結搭配多晶片堆疊的3D IC架構下，各晶片產生的運作熱能也會重複累加，封裝體產生的熱能散熱需求可能會較一般2D IC產品更高。

目前已有利用直通矽晶穿孔封裝內連接孔隙的方式改善3D IC的散熱效能，例如以在單純資料傳輸的直通矽晶穿孔連接孔隙較小，而紓解內部散熱問題的直通矽晶穿孔孔隙較大的方式來改善散熱效率，但這也會導致直通矽晶穿孔封裝處理的複雜度增加，如何在晶片上製造不同目的、尺寸之矽穿孔處理，也需要更深入研究開發進行製程改善。

3D IC除製程上的問題更趨複雜，由多功能晶片堆疊與內連結的電性表現，也需要更多實做生產持續優化製程。此外，另一個最大的困擾在於3D IC的EDA(Electronic design automation)設計工具需求。因為3D IC技術仍相當新穎，在EDA的晶片設計、整合與驗證模擬，雖可透過功能改善提供佈局與設計工具，但實際在EDA的模擬驗證上卻會因為相關參數有限而不見得能提供具參考性的計算驗證成果，在3D IC需求漸增之下，相關的開發工具也必須同步提升因應設計需求。