3D IC — 半導體也搞疊疊樂？
日期：2021/05/17
文： B.H. Huang / 校稿: Y.C. Lo , C.H. Chen
這一年多來由於疫情的關係，世界各地動盪不已，半導體晶片的供應面臨嚴峻挑戰，台灣身為全球少數的幸運之地，一夕之間，各大強國都來尋求台積電的產能支援，台積電也確定會去美國和日本設廠，加強產業合作關係。其中，在日本東京的研發中心更會著重在「3D IC」，究竟 3D IC 是什麼技術值得讓日本與台積電周旋這麼久呢？
摩爾定律又是你
在《摩爾定律 — 半導體產業的神秘力量》我們曾經向大家介紹半導體業鼎鼎有名的潛規則「摩爾定律」：IC上可以容納的電晶體個數大約每兩年就成長一倍。因此，經常聽到的台積電又推出幾奈米的製程技術，就是想讓同一片晶片上可以多塞一些電晶體，運算效能也會跟著提升。
可是呀，不知道大家有沒有發現，這一兩年台積電在進行量產的技術都已經到「7 奈米」、「5 奈米」了，儘管更小的 3 奈米、2 奈米製程，台積電也在如火如荼地研發中，但顯然已逼近電晶體的物理極限，難道摩爾定律的傳說就要這樣畫下休止符嗎？
雞蛋別放在同一個籃子，IC 也是
既然「縮小電晶體」已經有明顯的極限，那麼還有什麼地方可以繼續縮小 IC 的體積和面積嗎？聰明的科學家和工程師把腦筋動到了整片主機板上，並想出了 SoC（System on a Chip）這個方案，即把各種不同的功能的IC像是CPU、GPU、記憶體等透過重新設計電路的方式，配合日益精進的製程技術，直接做成一顆稍大但功能一應俱全的 SoC 晶片。例如你各位手上的智慧型手機，就是受惠於 SoC 技術才能如此輕薄短小！
這種方式的確大幅減少晶片所需的面積，同時又不會犧牲太多運算效能，然而，隨著近幾年對於 IC 功能要求越來越多，導致 SoC 晶片的面積也隨之加大，製作難度上升的同時良率更難保證，再加上 5G 以及 AI 運算的興起，晶片運算方式需要更大的靈活性，原本設計較複雜的 SoC 晶片得花更多時間重新設計。
Chiplet — 分久必合，合久必分
在此瓶頸下，有人提出了 Chiplet（小晶片）的概念，即將 SoC 晶片各個不同功能的部分再獨立出來做成小晶片，這樣的好處是當個別晶片面積縮小且電路設計較為簡單時，製作難度就會下降、良率跟著提升，此外，小晶片也可以根據個別情形設計出最適合他們的製作方式。
就好像原本一個大蛋糕內餡包含戚風蛋糕、海綿蛋糕、起司蛋糕、磅蛋糕，每種內餡需要的溫度、烘烤時間、質地都不一樣，想要一起做出來難度相當高，很容易這邊還沒烤熟但另一側已經燒焦。但如果每種蛋糕都分開來製作，最後再組裝起來，不僅可以為每種蛋糕內餡設計最適合的食譜，還不容易做失敗。
而怎麼把這些蛋糕內餡組合起來，就是 3D IC 技術大展身手的時候了。
從 2D 到 2.5D 到 3D
事實上，上述的 chiplet 小晶片一開始從晶圓上切下來時，還是「晶粒」的狀態，必須用塑膠殼或陶瓷殼包起來後，才是平常我們把手機背板打開裡面一片片的「晶片」。
假如上述的 chiplet 做完後直接包起來，再安裝到主機板上的話，由於晶片之間還要拉很多金屬導線，其實整體面積還是很大，因此，就有人發明出「2.5D IC」，也就是把上述一顆一顆的小晶粒，直接一起黏到另一塊矽基板上（此矽基板已有內部導線）最後再把整塊矽基板封裝起來，安裝到主機板上。
如此一來，2.5D IC 便可以直接透過矽晶板溝通，而不需要像傳統 2D 封裝一樣還要在晶片與晶片拉導線，節省許多空間，例如台積電的 CoWoS 封裝技術即為一成功案例。
而 3D IC，則是直接把連接各晶粒的矽基板拿掉，把好幾片晶粒直接疊起來，然後在晶粒之間挖洞並填入金屬，讓晶粒與晶粒間傳輸訊息的距離縮到最短，不僅訊號傳輸速度更快，而且把原本散布整個面的 IC 疊起來，在主機板所占面積也會大幅減少。
結語：疊了才知道有多難
這樣聽起來，感覺 3D IC 應該是晶片封裝最好的解方，可是從被提出到現在已經 10 年了，卻未曾成為主流的製作方式呢？其實，把晶片直接堆疊起來會有一個問題：晶片容易過熱。事實上，傳統封裝後的晶片，就是靠外層包裹的塑膠殼和陶瓷殼幫忙散熱，假如把晶片全部疊在一起，晶片運算時產生的熱將難以散去，甚至最後晶片會因此融化。
因此，目前 2.5D IC 在半導體業界相較於 3D IC 是更成熟穩定的技術，而顯然散熱的問題沒有被解決的一天， 3D IC 就很難成為下個世代半導體的解答。
有趣的是，由於 chiplet 和 2.5D IC 的興起，許多晶圓製造公司也將觸手深進先進封裝的領域，例如台積電去年推出 3DFabric 的技術平台，整合公司內部 3D IC 相關技術，提供客戶更加彈性靈活的晶片搭配，這讓原本的晶片封裝廠像是日月光備感威脅，意識到自己必須與時俱進，才不至於在下一個技術浪潮前淹沒。
因此，可預見未來 3D IC 將會大大地影響半導體的產業板塊，甚至重新洗牌公司間的合作模式，就讓我們拭目以待吧！
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