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從高速運算到AI,3D IC成高階晶片量產終極解方

  • 陳婉潔DIGITIMES企劃

隨著終端產品的小型化與功能提升,半導體產業面臨發展瓶頸。在物理極限的限制下,傳統的2D封裝技術已無法滿足市場需求。因此,各大公司及學研機構紛紛投入3D IC封裝技術的研發,希望能開啟下一波半導體產業的增長契機。

經過近年來的技術突破與產業鏈整合,3D IC封裝已初步商業化,並應用於各類高階計算晶片。展望未來,隨著生態系統日趨成熟,其優勢將更加凸顯,對半導體產業層面也將產生深遠影響。筆者認為,3nm先進製程很重要,但能用的業者很少,對供應鏈貢獻其實不如想像中大,也因此,雖然2023年半導體業界有很多大事已經發生,或正在發生,但以今年來看,實際對全體半導體業界,包括設計、生產、材料、機台、應用等方向影響最大的技術進展,非3D IC莫屬。

先進製程面臨物理極限,封裝技術追不上

隨著終端產品的小型化和功能需求提升,半導體產業正面臨技術障礙。首先,晶圓製造端正面臨物理極限,使得傳統的摩爾定律已不再適用。

隨著3奈米製程正式量產,這是半導體先進製程邁入另一個里程碑,但與此同時也意味著製程進一步朝極小化方向發展,良率控制和電晶體效能提升的困難度大幅增加。由於在5奈米以下的製程中,生產複雜度呈指數型增長,每前進一個製程節點就需要採用新的關鍵材料和製程技術,設備廠商如應用材料、東京電子等必須及早準備,才能協助代工廠提高良率。

此外,單顆晶片的製造成本也不再隨製程縮小而降低,反而出現逆勢增長的情況。根據報告指出,5奈米製程生產一顆晶片的成本高達238美元,反倒高於7奈米的233美元,顯示微縮製程已無法再降低成本。

製程微縮也造成量產的難度增加,集中的電晶體會造成散熱問題,限制了效能與電晶體整合數量,如果要增加電晶體,那麼就要在晶片散熱設計增加更多成本。如果透過3D IC加上chiplet(小晶片)技術來同時擷取先進製程的優點與製造優勢,那麼可以大幅降低量產難度與成本,增加利潤空間。

其次,封裝技術也無法跟上先進製程的發展。過去主要採用2D模式進行封裝互連,已無法滿足終端產品對於高度整合與廣帶域傳輸的需求。

因此,要突破現有的技術瓶頸,各大半導體公司如台積電、三星、英特爾、高通等,紛紛加緊投入資源研發3D IC封裝技術,期望能開啟半導體產業的新契機。以台積電為例,其已建立CoWoS、InFO等先進封裝技術平台,並規劃新建封測廠以擴充產能;三星則在扇出式封裝取得重要進展,並收購業者擴充實力;英特爾開發出EMIB、Foveros等技術,與台積電形成競爭關係。

在各大廠推動下,3D IC封裝技術發展可期,有望為半導體產業注入新動能。

3D IC封裝技術優勢凸顯,各大廠續力開發

在各大半導體公司如台積電、三星、英特爾等業者的積極投入下,3D IC封裝技術已初步商業化,應用於高階AI處理器、CPU、GPU、FPGA等產品。以台積電的CoWoS技術為例,它採用2.5D堆疊方式,使用矽穿孔連接晶片與基板,可以提供超過15萬個穿孔連接,大幅提升訊號密度。英特爾的EMIB技術也利用中介層連接晶片,其優勢在於製程較為成熟,採用較大製程節點,降低生產難度。

隨著ChatGPT等AI模型需求快速增加,對高速運算的需求大幅提高,堆疊封裝技術備受矚目。台積電的CoWoS平台預計未來每年產能將以30%速度成長,將發展 SOC或Chiplet設計,藉由異質整合提升效能。三星也積極投資扇出封裝,提升堆疊技術。

未來重點包括降低成本、提升堆疊層數、改善製程良率等。業者除投資研發外,也必須建構完整生態系,涵蓋設計、模擬、製程材料、自動化設備、檢測等各層面。設備商也需要開發新一代具高精度的堆疊機台。隨著生態系成熟,期待3D IC技術發展能蓬勃開花,驅動半導體產業持續創新。

先進封裝吸引產學研投入,打造完整生態系

有鑑於3D IC封裝技術的重要性與潛力,近年來吸引了產業界和學術界大量的投入,期待能打造完整的技術生態系加速商業化。

在業界方面,除了台積電、三星、英特爾等晶圓代工龍頭外,許多具特定專長的公司也推出相關解決方案。例如日月光在高密度基板技術具領先地位,其子公司日月光封測已開發多種3D堆疊方案,提供客戶整合服務。又以中華映管在顯示驅動IC設計的強項加入戰局;歐菲光子公司則以光電封裝技術著稱。

Gozeta和華邦電子都在直接鍵合技術上累積多年研發實績。材料大廠杜邦也看好3D IC發展前景,推出多種低介電薄膜和研磨膏等專門產品。

在學術界部分,台灣大學、交通大學、清華大學等都成立相關的研究中心,並與臺積電及業界密切合作。教授們帶領研究生投入開發新材料、技術、設備等目標。日本東京大學集結多個工程學院的師資力量,在3D IC領域建立完整的課程與研究團隊。

這些研究機構為產業培育不少人才,也將理論研究成果透過產學合作,嘗試落實到產業應用。國外知名大學如麻省理工學院、喬治亞理工學院、柏克萊加州大學等,也有相當程度的研究投入。

隨著越來越多不同領域的企業與機構投入3D IC研發,一個強大的生態系已在悄悄成形。下游應用廠商也給予正面回應,願意嘗試採用3D封裝技術。在各方努力之下,未來可望看到整體技術快速成熟,推動整個半導體產業突破成本與性能的限制。

迎接商業化新紀元,3D IC影響層面多元

隨著產學研各界持續投入,3D IC封裝技術正蓄勢待發,未來商業化將為半導體產業帶來深遠的影響。

在產業面,代工廠將大舉投資新世代的封裝產線,提升自動化程度以降低成本。業者間合作模式也將更為緊密,需要建立標準化介面以利生態系統整合。此外,中小企業若想參與3D IC供應鏈,勢必要及早佈局,發展特定領域的關鍵技術。

在製程端,TSV和微柱(micro-bump)技術的成熟,將可支援更高密度的堆疊,並提升良率。新型材料的使用也將擴展設計空間。未來甚至可望運用量子隧道效應,以原子層沉積的方式進行鍵合。這將是革命性的製程突破。

在設計部分,EDA工具需要提供多晶片同步設計與驗證的功能。架構師也將善用3D IC的優勢,發展嶄新的系統概念。此外,中長期來看,工程師將需要全新思維,同時考量軟硬體及封裝的協同最佳化。

對於環境影響,3D IC封裝有機會大幅降低能源消耗,使半導體產業邁向更永續發展。但也需要注意製程使用的化學材料,並研發清潔生產技術。

綜觀各面向,3D IC的商業化將為半導體產業帶來重大改變。業者若能提前做好準備,就能抓住先發優勢,在未來的競爭中占得先機。屆時將可望看到3D IC廣泛應用,開創晶片設計與製造的新紀元。


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