3D IC會(huì)是晶片業(yè)的下一桶金？

 最終改變我們?nèi)粘Ｉ罘绞降霓D(zhuǎn)捩點(diǎn)可能難以預(yù)測(圖1)。例如，BlackBerry個(gè)人數(shù)位助理(PDA)的出現(xiàn)，由于將傳統(tǒng)桌面應(yīng)用程式移植到可塞進(jìn)口袋中的全天候行動(dòng)裝置，從此改變了商務(wù)通訊。蘋果(Apple)智慧型手機(jī)iPhone挾其創(chuàng)新的App Store進(jìn)入市場，透過讓第三方開發(fā)可執(zhí)行于手機(jī)上的各種應(yīng)用程式(App)，創(chuàng)造出全新的產(chǎn)業(yè)。

同樣地，Uber和Lyft的商業(yè)模式，取代了長久以來的計(jì)程車出租業(yè)務(wù)，而像Netflix和Pandora等公司則徹底改革了為消費(fèi)者提供視訊和音樂的方式和客制化。從自拍到來自全球各地的活動(dòng)即時(shí)視訊，手機(jī)攝影機(jī)也讓我們觀看這世界的方式發(fā)生改變。

創(chuàng)新技術(shù)以令人意想不到的方式改變商業(yè)模式和社會(huì)實(shí)踐

在IC設(shè)計(jì)市場中是否能看到類似的轉(zhuǎn)變？3D IC市場如今發(fā)展到哪里了？還必須克服哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？3D IC的成功如何為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來新商業(yè)模式？

當(dāng)代3D IC的生產(chǎn)

系統(tǒng)單晶片(SoC)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)架構(gòu)一直是IC產(chǎn)業(yè)的經(jīng)典。因此，從SoC生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多晶片策略，成為讓大多數(shù)公司望而生畏的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄冮L期依賴且熟悉支援SoC設(shè)計(jì)流程的現(xiàn)有龐大基礎(chǔ)架構(gòu)。SoC的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程業(yè)已建立，而且也已經(jīng)被設(shè)計(jì)師使用了數(shù)十年。針對某個(gè)制程節(jié)點(diǎn)，代工廠提供了一套設(shè)計(jì)規(guī)則，SoC設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵循這些規(guī)則，以確保代工廠正確地制造SoC。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)公司開發(fā)自動(dòng)化流程，用于協(xié)助設(shè)計(jì)人員分析SoC設(shè)計(jì)，以進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證、連接性檢查、寄生元件參數(shù)擷取，以及布局后硬體模擬等。

相較于在制程設(shè)計(jì)套件(PDK)和自動(dòng)化EDA流程中提供既有且經(jīng)驗(yàn)證的SoC基礎(chǔ)設(shè)施，目前還沒有為多晶片制程提供類似的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)安全網(wǎng)路。大多數(shù)的封裝設(shè)計(jì)仍由委外組裝與測試(OSAT)公司手動(dòng)組裝。除了描述預(yù)期設(shè)計(jì)規(guī)則的文本文檔案之外，封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程通常幾乎少有封裝設(shè)計(jì)附帶形式簽核要求。因此，用于封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的EDA工具功能通常也更加簡單。如果少了支援和驗(yàn)證的自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程協(xié)助，許多傳統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)公司應(yīng)該都不愿意將3D IC市場視為可行的商業(yè)選擇吧！。

正在發(fā)生哪些變化？

以早期矽中介層的設(shè)計(jì)來看，3D IC設(shè)計(jì)相對復(fù)雜、成本高且風(fēng)險(xiǎn)大，因?yàn)樗鼈冃枰嗉墱y試(晶圓、晶片、中介層、元件)，出問題的風(fēng)險(xiǎn)很高。隨著扇出晶圓級封裝(FOWLP)等封裝技術(shù)出現(xiàn)且日益普及，成本開始急劇下降。封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程至今仍然很復(fù)雜，但已經(jīng)能獲利了。

此外，業(yè)者現(xiàn)在可以「混搭」現(xiàn)有的晶片IP到單一封裝中，而不必為特定制程從頭開始設(shè)計(jì)(或重新設(shè)計(jì))每個(gè)元件。這樣就有可能進(jìn)一步在專用元件層傳播設(shè)計(jì)，甚至封裝設(shè)計(jì)本身。例如，如果傳統(tǒng)的硬IP市場以預(yù)先表征和布局區(qū)塊資料的形式加進(jìn)SoC，并擴(kuò)展至為特定代工制程設(shè)計(jì)實(shí)際晶片，或什至是直接用于較大型多晶片封裝的矽晶片，那么又會(huì)產(chǎn)生什么影響？

邁向成功的挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)之一仍然在于風(fēng)險(xiǎn)。業(yè)者對于不斷成長中的3D IC市場潛力很感興趣，但對于切入3D IC業(yè)務(wù)卻猶豫不決，因?yàn)樗麄儾⒉皇煜み@些業(yè)務(wù)或缺乏專業(yè)知識(shí)技術(shù)，而且?guī)缀醪淮嬖诨蚝苌儆袠?biāo)準(zhǔn)化的支援。

由于3D IC布局制造發(fā)生在「晶圓級」，因此結(jié)合光罩產(chǎn)生的制程，就相當(dāng)于SoC制造流程。為了確保代工廠或OSAT公司可以制造這些光罩，設(shè)計(jì)人員必須在多個(gè)元件的3D布局上執(zhí)行簽核實(shí)體驗(yàn)證。但直到最近，「簽核」(signoff) 3D IC驗(yàn)證的流程或工具并不存在。

為了提高市場成功的可能性，設(shè)計(jì)人員還需要一些方法來驗(yàn)證3D連接性。驗(yàn)證可確保所有元件按預(yù)期連接，并確保訊號時(shí)序和功率符合設(shè)計(jì)規(guī)范。現(xiàn)有的商業(yè)連接驗(yàn)證解決方案無法滿足3D IC對于連接能力的要求。

可測試設(shè)計(jì)(DFT)策略是另一個(gè)要考慮的因素。如果組裝好的封裝出現(xiàn)故障形，您如何追溯到導(dǎo)致故障的根本原因？設(shè)計(jì)人員需要能夠從物理和邏輯層面全方位檢查連接的工具和流程，以便找刑并分析來源問題。

新的封裝驗(yàn)證技術(shù)

針對多晶片制程，我們目前看到代工廠和OSAT公司開發(fā)并提供了3D IC封裝設(shè)計(jì)套件(PDK)元件。此外，還有組裝級設(shè)計(jì)套件(ADK)，一開始通常用于簽核實(shí)體驗(yàn)證和連接驗(yàn)證(圖2)。實(shí)體驗(yàn)證可經(jīng)由設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)確保封裝的所有元件都以滿足所有制造要求的方式布置。連接性驗(yàn)證至少包括布局與原理圖(LVS)檢查、寄生參數(shù)擷取以及布局后硬體模擬。隨著3D IC市場擴(kuò)展，還可以為ADK添加額外的驗(yàn)證功能，例如熱和/或壓力簽核解決方案等。

封裝驗(yàn)證必須包括實(shí)體和連接性檢查

封裝設(shè)計(jì)人員還必須為其設(shè)計(jì)工具提供經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)文件，就像當(dāng)今IC領(lǐng)域中的布局與布線(P&R)和客制設(shè)計(jì)工具一樣。這些檔案的關(guān)鍵在于分層映射。封裝設(shè)計(jì)中的每個(gè)元素都必須映射到正確分配的制造層，以確保DRC和電路驗(yàn)證技術(shù)正常運(yùn)作。

這些ADK的存在還使得EDA公司能夠開發(fā)工具和自動(dòng)化制程流程，以便協(xié)助封裝設(shè)計(jì)人員更快速、更準(zhǔn)確地驗(yàn)證高密度的先進(jìn)封裝。為了在整個(gè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造真正的價(jià)值，所有制程都必須獨(dú)立于進(jìn)行組裝的任何特定設(shè)計(jì)工具，并且必須由封裝組裝或OSAT公司進(jìn)行驗(yàn)證。

封裝市場帶來新商機(jī)

除了支援自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程，ADK還能滿足更大的目標(biāo)——為3D IC打造全新市場模式的潛在商機(jī)。

在SoC市場中，代工廠和第三方為SoC提供預(yù)先驗(yàn)證和預(yù)先表征的IP。SoC設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)要求將這些IP整合于其設(shè)計(jì)中，以及100%的信心IP將按照SoC的規(guī)定工作。

設(shè)計(jì)多晶片封裝的公司目前無法獲得類似的預(yù)驗(yàn)證元件——他們必須在內(nèi)部開發(fā)每一個(gè)元件。在組裝封裝元件時(shí)，他們無法取得任何幫助或性能的擔(dān)保，而且也必須自行承擔(dān)在制程的任何階段發(fā)生錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

如果我們將多晶片組裝中的每個(gè)元件視為具有一組專用功能的「小晶片」(chiplet)，那么就可以為這些小晶片開啟更多來源的可能性。然而，最大的問題之一是如何彌合IC設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)流程之間的當(dāng)前差距。如果我們將單個(gè)SoC中原有的元件分解為單個(gè)磊晶，將它結(jié)合至3D IC封裝(圖3)中，該3D IC封裝中的元件可能由不同的公司設(shè)計(jì)，我們?nèi)绾未_保最終的封裝設(shè)計(jì)能正常運(yùn)作？

IC封裝可以使用各種配置，以及由不同供應(yīng)商設(shè)計(jì)的多種元件

ADK能夠排除大部份的風(fēng)險(xiǎn)，從而推動(dòng)多晶片封裝。事實(shí)上，3D IC元件的概念已經(jīng)以現(xiàn)成可用的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(DRAM)形式，存在一段時(shí)間了。封裝設(shè)計(jì)人員目前可以從專門設(shè)計(jì)DRAM的設(shè)計(jì)公司購買到最符合其需求的DRAM。同樣地，憑借著對于ADK的信心，封裝設(shè)計(jì)公司理論上也可以將所有的小晶片設(shè)計(jì)外包給具有特定功能專業(yè)的第三方公司。另一方面，這又使得封裝設(shè)計(jì)人員能夠更專注于更高層次的封裝設(shè)計(jì)，直接將具有已知和可信賴功能的晶片整合到設(shè)計(jì)中。

透過ADK，封裝設(shè)計(jì)人員還可以確認(rèn)所有晶片都按其制造商認(rèn)可的方式整合于封裝環(huán)境，并提供實(shí)現(xiàn)市場成功所需的預(yù)期性能。為元件和封裝設(shè)計(jì)人員提供這一支援力度可望降低故障的風(fēng)險(xiǎn)，有助于增加2.5/3D封裝的使用，并促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這種外包業(yè)務(wù)模式大致上符合汽車、航太、醫(yī)療和智慧城市等產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)公司目前已在發(fā)展的方向。他們并不會(huì)以單一封裝銷售晶片，而是以解決方案的形式銷售，其中可能包括來自不同供應(yīng)來源整合至單一元件的許多晶片。

迎向未來的挑戰(zhàn)

盡管如此，當(dāng)我們朝著封裝產(chǎn)業(yè)的新模式邁進(jìn)時(shí)，還有一些問題需要思考。最值得注意的是，晶片設(shè)計(jì)師或制造商如何確保其元件在封裝中的性能和可靠性？相較于針對特定代工制程的IP可在代工廠的協(xié)助下進(jìn)行驗(yàn)證，晶片則必須在獨(dú)立環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證，以確保在選擇適于加進(jìn)封裝中的晶片時(shí)，也能夠準(zhǔn)確地考慮到它對性能和功率的電氣影響。然而，一旦供應(yīng)商成功地設(shè)計(jì)和制造了晶片，他們就會(huì)根據(jù)已知合格晶片(KGD)直接進(jìn)行測試和銷售。

而在此等式的另一邊是如何驗(yàn)證由KGD組成的組裝實(shí)際上可在完全組裝的環(huán)境中運(yùn)作。這是在DFT領(lǐng)域中需要采用新方法之處。我們知道如何為SoC設(shè)計(jì)測試，但如何在封裝級進(jìn)行設(shè)計(jì)測試，甚至在晶片級詳細(xì)進(jìn)行檢查？我們可能需要晶片供應(yīng)商之間達(dá)成某種程度的協(xié)議，其中包括基于特定標(biāo)準(zhǔn)的測試。

雖然還有工作尚待完成，但我們似乎正處于3D IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域中真正令人興奮位置。想想看，以一支專注于特定機(jī)上盒(STB)設(shè)計(jì)的晶片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為例，如果完成的晶片無法與其他STB中使用的對手晶片競爭，那么他們投入的時(shí)間、精力和資源可說是浪費(fèi)掉了。相反地​​，如果他們專注于設(shè)計(jì)可以整合到許多資訊娛樂系統(tǒng)中的晶片(圖4)，就能明顯地開辟更多潛在市場！現(xiàn)在，他們還有機(jī)會(huì)開辟選擇性的利基市場，不僅能降低風(fēng)險(xiǎn)、擴(kuò)大整體市場，還可讓他們更有效率地競爭。

根據(jù)目標(biāo)市場的需求，將晶片整合至各種IC封裝中

在3D IC領(lǐng)域中發(fā)生的變化可能只是IC產(chǎn)業(yè)重大轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的開始。透過打造讓IC設(shè)計(jì)公司能夠支援新業(yè)務(wù)模式的工具和制程，提供經(jīng)驗(yàn)證的晶片元件以包含于3D IC封裝中，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開啟了新市場策略的可能性，從而推動(dòng)3D IC市場進(jìn)一步創(chuàng)新與擴(kuò)展。