层叠的艺术：带你深入了解3D IC

　　在这篇文章中，笔者将介绍各种不同型态的 3D IC 技术，由最简易的开始到目前最先进的解决方案。不过当我们开始探讨3D IC，第一件事情就是要先问自己：「我们是想要透过3D达成什么目的？」这个问题并不无厘头，因为3D对不同的人来说可能代表的东西也不同。

　　举例来说，3D IC的初期型态之一（目前仍应用于一些特定领域），是将功能相同的裸晶──如记忆体──结合在一起，形成3D堆叠，再由两侧绕线连结，最后以系统级封装（system-in-package，SiP）的外观呈现。虽然下面的图里画的晶片堆叠看起来有点高瘦也不太美丽，但其实每颗裸晶厚度只有0.7mm （甚至可研磨至厚度仅0.2mm）。

　　

　　从两侧连结的3D晶片堆叠

　　另一种常见的方式是在采用覆晶（flip-chip）技术的SiP基板上先放一颗裸晶，然后再将第二颗裸晶以打线接合方式放在最顶端，如下图；但这两种技术虽然都非常高明，在笔者的心目中还达不到 3D IC 的等级。

　　

　　简易的 3D IC / SiP

　　传统2D IC与SiP

　　接着的讨论如果我们不谨慎一些，事情可能就会变得有些棘手，所以让我们一步步来；首先，退回去想想在传统的2D IC与SiP阶段，裸晶与或是晶粒（dice）是放置在单一平面的封装内。传统2D IC的配置方法常是如下图：

　　

　　传统2D IC与SiP

　　为了简单起见，我们在上图的SiP只放了两颗晶粒，但当然实际情况也可能是有更多颗的；此外在图中我们是假设晶粒是以覆晶技术（有时候也可能用打线）放置在SiP基板上。在这个例子里，覆晶锡铅凸块（solder bump）的直径约只有100μm。

　　而我们也假设该SiP基板是一种层压板（laminate），那是一种小型、精细的印刷电路板，有铜轨（track）与包含一定数量轨道层（tracking layer）的铜通孔。这种形式的SiP技术实在令人印象深刻，SiP基板上的轨道尺寸比矽晶粒上的轨道要大得多，这种尺寸上的差异会影响性能与功耗。此外SiP基板上尺寸较大的轨道会导致绕线壅塞，使得裸晶与裸晶之间的连结数量受限。

　　结合TSV的被动上主动式3D IC /SiP

　　再往上把复杂度提升一个等级，就是在SiP基板与晶粒之间放置矽中介层（interposer），如下图所示，矽中介层具备矽穿孔（TSV），连结上方与下方表面的金属层。有人将这种技术称为2.5D，因为矽中介层算是被动元件，也就是不承载像电晶体那样的主动元件；但这种方式也并非罕见，可称之为被动上的主动式（active-on-passive） 3D IC /SiP。

　　

　　结合TSV的被动上主动式3D IC/SiP

　　在这个例子里，晶粒以直径约10μm的微凸块与矽中介层接触，同时矽中介层以直径约100μm的常规覆晶凸块与SiP基板接触。矽中介层正面与背面金属层（两边都有可能是多层金属）上的轨道，是以与矽晶片上的轨道相同之制程所制作。

　　虽然上图里的矽中介层与晶粒看起来有点矮胖，但请注意它不是等比例画的，实际上晶粒与矽中介层的厚度只有0.2mm到0.7mm左右。Xilinx的Virtex-7 2000T 就是一款4颗FPGA晶粒连结矽中介层的元件，支援相邻晶粒之间约达1万的连结线。

　　被动上的主动式3D IC / SiP 技术优点，在它是由传统2D IC / SiP 演进而来，在容量与性能方面有大幅的提升；该技术在良率上也有优势，因为要制作多个小型晶粒，会比制作单一大型晶粒来得简单。但其主要缺点则是要完成以上所有程序并不那么容易。

　　结合TSV的主动上主动式3D IC /SiP

　　再进一个等级的技术是主动上主动式（active-on-active） 3D IC / SiP，其中至少有一颗晶粒是与另一颗晶粒叠放在一起，下方的那颗是采用TSV技术，让上方的晶粒与下方晶粒、SiP基板通讯。如下图。因此举例来说，我们可能有一颗记忆体晶粒连着一颗逻辑晶粒，或是一颗类比/RF晶粒与一颗数位逻辑晶粒连再一起…等等。

　　

　　采用TSV的简易主动上主动式3D IC / SiP

　　上图显示的是简单的配置法，可能在不久的将来，我们就能看到更多颗晶粒以TSV堆叠在一起，以及数群晶粒利用矽中介层相互连结，然后这些全部都在单一SiP封装中，如下图；这看起来可能有点像是纽约市的大楼群，但如我们先前一再强调，那些晶粒与矽中介层的厚度都只有0.2mm至0.7mm，整个封装会比你想像的小很多。

　　

　　复杂度更高的3D IC / SiP

　　看了这么多 3D IC 技术，你可能好奇这个市场到底有多大？根据市场研究机构Yole Developpement的2012年报告，2011年采用TSV技术，以3D IC或3D-WLCSP形式制作的元件（包括CMOS影像感测器、环境光感测器、功率放大器、RF或MEMS惯性感测器等）市场规模约27亿美元，在整体半导体市场占据约9%，而估计到2017年将成长至400亿美元。