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銅混合鍵合的發展與應用(二):商業化應用

Sony CIS產品,是混合鍵合首先商業應用的半導體產品。

混合鍵合的最大特色是晶片對外連接金屬墊(metal pad)的尺度是「半導體製程級」的。相較於之前用於中介板的微凸塊(microbump)間距40um,混合鍵合的鍵合間距可以小達1~2um,限制尺寸的原因主要來自於對齊的精確程度,還有進一步改善的空間。

這樣的鍵合間距代表每平方公分晶片面積可以承擔百萬個連結,這比任何既存的封裝方式都有幾個數量級的提升。

連線鍵合數目愈多意味著2個晶片之間容許更高頻寬的溝通,有利於平行運算,也容許較高電流。功能模組之間的連線也較尋常方式為短,所以速度快、噪音低、功耗也較小。另外混合鍵合本來就是異質整合、3D堆疊先進封裝中的一種方法,所以二者的優點也自然都有。

商業應用混合鍵合的半導體產品,首先是 Sony的CIS。CIS有幾個組成部分:畫素陣列(pixel array)、類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter;ADC)、影像訊號處理器(Image Signal Processor;ISP)。畫素陣列基本上是1層多晶矽(polysilicon)與5層金屬的製程;ADC與ISP則是1層多晶矽與10層金屬的製程,二者的製程差距甚遠,符合「異質」特徵,應該分別製造。二者的3D晶片堆疊還能縮小鏡頭尺寸,所以Sony早在2016年就將分別製造的畫素陣列晶圓與ADC+ISP晶圓混合鍵合,替代原來在同一晶片的設計製造。

由於混合鍵合大幅增加金屬連線密度,使得ADC可以平行處理畫素,大幅提升畫面處理的能力,譬如全域快門(global shutter)、影片的每秒幀數(frame per second)等。目前的設計趨勢是向每個畫素都有獨立的ADC方向邁進。

進一步的工作是將DRAM也加入CIS的3D堆疊,做為畫素處理的緩衝記憶體(buffer memory)。Sony和三星電子(Samsung Electronics)都有此設計,只是DRAM堆疊位置不一。影像在車輛的應用,譬如用來偵測前方物件距離的時差測距(Time of Flight;ToF)的單光子雪崩探測器(Single Photon Avalanche Detector;SPAD);或在工業的應用,譬如機器視覺(machine vision),都可能需要再加入能執行邊緣計算(edge computing)晶片。CIS啟動混合鍵合的商業應用,歷史較長,較長遠的應用規劃也漸入視野。

另外一個也進入商業量產的應用是3D NAND。平面NAND的記憶體細胞陣列(memory cell array)與其他邏輯線路-包括微控制器(microcontroller)、位址寄存器(address register)等,是放在同一晶片上的。

3D NAND 的記憶體細胞陣列持續往3D方向堆疊,但是邏輯線路上方卻空無一物,嚴重浪費珍貴的晶片房地產(real estate)。

所以長江儲存首先以XtackingTM技術將邏輯線路部分以混合金鍵合方式置於記憶體細胞陣列之下,大幅提高晶片房地產使用效率。其他公司後來也採取類似方法。不過在此例中,金屬墊的密度不需要特別的高。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。