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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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國際大廠穿針引線 國內3D IC蔚為潮流

周世民

國際大廠穿針引線 國內3D IC蔚為潮流
工研院3D IC跨所合作顯成效

3D IC是IC設計中最為亮眼的明星產品,但製程技術困難,過去3D IC總是雷聲大雨點小,廠商對此技術的成熟度與量產化抱有疑慮,因此想以3D IC技術進行推廣,甚至是說服廠商共同合作,具有相當大的挑戰。

工研院跨領域共同合作,以一條龍的方式,從3D IC準則、設計、製程、封裝到測試,與國際大廠之間的合作,並串聯上下游業者,為半導體產業開闢一條嶄新的道路。

3D IC必須以系統的角度出發,以進行最佳應用設計與製程整合,國內因為缺乏系統廠商,因此採用此項前瞻技術時,需要考量的因素較多,尤其因為產業鏈尚未成熟,價格在初期會較高,容易造成高階產品應用優先,消費性電子產品需要更多時間的狀況。

工研院跨領域共同合作,以一條龍的方式,從3D IC準則、設計、製程、封裝到測試,一方面尋求與國際大廠的合作,在產品技術成熟之際,也緊鑼密鼓的拜會國內半導體上下游業者,並成功招募成3D IC聯盟會員,而此一壯舉,榮獲今年工研院推廣服務獎金牌獎,可謂實至名歸!

身負重「任」 只許成功不許失敗!

「不是英雄就是狗熊、不成功便成仁!」工研院電光所副所長高明哲語重心長的說,明知這條路會非常坎坷,但依然決定跨入3D IC這個必要的技術領域,況且台灣的優勢又是善於垂直整合分工,3D IC未來若真的發揮起來,相信將有助於產業鏈帶來相當大的助益,進而可以幫助國內規模較小的廠商。

不過對於3D IC這樣的全新技術領域,必須冒著有可能會失敗、巨額投資付諸東流的風險,這樣雙面夾擊的壓力,工研院決然要投資3D IC技術,背後仍有一個關鍵的主因。

「純粹從投資學來說,誠如巴菲特所言『危機入市』,該做、如何做、何時做。」工研院電光所組長顧子琨表示,眼光、勇氣以及如何說服長官決策都是攸關因素,也因為看好3D IC未來的發展後市,因此工研院也決定大膽投資、全力衝刺。

工研院電光所組長駱韋仲強調,當初花了不少錢買設備投資3D IC的完整生產線,進而拜訪很多家廠商,來來回回走訪,花了超過一年時間,才逐漸說服廠商願意投入,更何況後續仍需要持續投資,幸虧政府願意投入半導體的創新領域,協助國內廠商分擔研發風險,能夠達成這個共識,是非常不容易的。

了解客戶需求 提高推廣成功率

「世界上大概有兩種陣營,第一種為整合元件製造廠(IDM),另一種為垂直分工,此兩種陣營策略是不一樣,如果需要串聯整合很多資源,那一定對IDM有利,但缺點是不利創新;反觀,垂直分工是有利於創新,且也有利於台灣業者發展!」高明哲認為,半導體投資已趨向資本及技術密集,隨著研發及建廠成本不斷墊高,未來如果沒有3D IC那在半導體的投資勢必會越來越大,可說是條不歸路。反觀,很多是來自於小公司的創意,而3D IC可以幫忙他們實現,企業在不用花大筆鈔票投資也可以實現自身的創意。

工研院跨領域合作的3D IC團隊,獲得院內的推廣服務獎金牌獎。駱韋仲認為指出,有三個關鍵是獲獎的重要因素,第一是因為與系統廠商合作過程中,開發出技術可以再授權給國內廠商,該技術也因為有與國際廠商互動過,經過大廠的認證代表良率也達到一定的高標,此外再加上與工研院合作的客戶,也有可能是該客戶的客戶,所以產生所謂「客戶的客戶」合作模式。

「舉例來說,我們與台灣晶圓代工或晶圓專工(foundry)、封測廠客戶的客戶進行合作,屆時客戶的產品做得出來,國內相關廠商也會相信我們的能力。」

第二部分,即為系統應用再改變,此為新的營運架構,包括經濟部、工研院、英特爾(Intel)與國內記憶體設計公司,各對應投資500萬美元,達成這全新的合作營運模式,這次經驗成功轉換成與國內廠商的四方合作案,是極為難得的成果。

最後一部分,即為成立「先進堆疊系統與應用研發聯盟(Ad-STAC)」。工研院除了協助聯盟廠商之外,由於工研院在3D IC領域,建置了一個近乎完整的廠房,所以台灣各廠商能夠在此進行測試運作,並透過聯盟獲得更多國際設備廠及材料廠商資訊。「測試環境建立,可以讓廠商在此做驗證之外,若後續要購買設備,工研院也可以給予相關的抉擇與資訊。」駱韋仲表示,該聯盟串接上、中、下游廠商,以及設備及材料國產化可以後續持續推動。

整合技術優勢 實現各種可能性

工研院資通所技術組長周永發表示,以資通訊專業的角度,3D IC的重要性在實現新使用方法技術。幾年前,市場還不看好3D IC的量產,但今年隨著日本新力(Sony)推出高階Xperia Z款式智慧型手機,裡面就裝置一顆3D IC技術的照相模組,這對3D IC發展來說,是一個重要指標,顯示3D IC的效能的確比SoC(System on Chip)優越許多,目前SoC產品僅能做到HDR照相,但使用3D IC照相模組的該款手機,卻能進一步實現HDR錄影。

「3D IC可以將各種技術的優勢整合一起,就可以實現各種的可能性。」周永發認為,當IC設計走到某種程度,應該就是要朝晶片的整合,如此方可達到更多的功能,所以3D IC初期就會進攻金字塔頂端的高階產品,或許初期價格很貴、投入的廠商也不多,但當這技術慢慢讓市場接受時,就會有更多的製造廠商進而投入,屆時價格就會逐漸下降,進而普及化。

周永發強調,3D IC的主要功能絕對不是為了降低成本,而是提供高效能的產品;高效能的產品會讓消費者願意買單,這才是該技術產品的最大意義所在。

「工研院要說服業者最難的部分,就是如何將技術轉換成金錢。」駱韋仲表示,國際廠商所放眼的角度就有所不同,所以當時工研院決定先找國際廠商進行合作,這項合作從2006年左右就起跑,到今年產品上市量產,也長跑了非常久的時間。

經過這幾年的探索與磨合,在3D IC的應用方面,會朝向影像感測器、記憶體與記憶體晶片的堆疊,以及記憶體與邏輯晶片的堆疊等方面。駱韋仲說,在2011到2012年,3D IC技術成功導入商品之際,才有台灣廠商願意嘗試影像感測器的實作。目前3DIC技術,主要分為給影像感測器(CIS)使用,以及整合記憶體(memory)之用,其中主要影響3D IC普及化的關鍵,即為記憶體應用,這包括晶圓代工生產的可編程的邏輯閘元件(FPGA)高階產品。而工研院要深入的,主要為可攜式相關產品技術,和台灣廠商進行更多合作。

台灣廠商在3D IC產業布局的腳步比較慢,主要因素可能是過去都以ODM或OEM為主,所以廠商也都在等客戶下單,才會開始行動。周永發補充,若屆時代工廠導入技術卻沒有客戶下單,那也是白忙一場,畢竟代工廠沒有終端產品去驗證3D IC技術,產品好或不好的意見回饋,也是直接反應到品牌廠。而國際大廠如Sony、Intel、三星(Samsung)等都有自己的終端產品,可以驗證市場的接受程度,這是台灣廠商與國際大廠投入3D IC的主要差異,也是當初為何工研院會選擇國際大廠的主要原因。

跨界齊心 共創3D IC未來

駱韋仲表示,3D IC要吸引業者,勢必要進行跨領域合作,一個產品的問世,第一步必須要有系統規格;另一角度來看,產品需要有技術的搭配,此時必須根據系統的規格去開發對應的技術,用「設計準則」針對效能做大幅提升,讓消費者輕易比較出3D IC勝過一般2D SoC的優越性,這是跨領域合作的精隨所在。

駱韋仲說明,工研院內部很像所謂的IDM,擁有設計單位、製程單位、封裝、以及做測試認證單位,彼此缺一不可,這也是一條龍工法得以實現的關鍵,更是工研院最大優勢所在。

3D IC在直通矽晶穿孔(TSV)製程後,用後製的方式整合不同效能的晶圓,一次堆疊起來,3D IC就可謂成功。

這也再度彰顯跨領域合作的重要性,不同環節所吸引到的客戶與廠商也大異其趣,例如Intel對基礎架構(architecture)很有興趣;而偏向技術端、力求真實量產效果的客戶,技術方面可能是切斷,亦可能是從頭到尾來予以合作開發,在這裡也顯示出工研院跨領域研發的成效。

「工研院3D IC的產線,當時可以號稱是全亞洲第一條、全世界數一數二優先建置的產線。」駱韋仲回憶,當初招募會員時,就是營造出3D IC重要性的氛圍,過程中也拜訪了許多相關的廠商,相關業者也樂觀其成台灣有一條完整的生產線在工研院。其次,許多會員考量的,就是智財權(IP)的布局,希望能在工研院做認證,做為未來建置生產線的參考依據。

「現在,3D IC已經是可以成功量產的技術,且國際上都很積極投入,必須從系統角度去看3DIC,並非過往的IC設計角度。」駱韋仲表示,3D IC現在正在等待系統的萌芽,因此會優先從高階產品推展,這也是台灣廠商最不熟悉的部分。接下來的願景,以智慧型手機領域而言,是將所有晶片整合成一個指尖大小的尺寸,再配合「摩爾定律(Moore's law)」(見BOX說明)的發展,關鍵點就是要與系統廠商攜手,也盼台灣產界與學界共襄盛舉。

駱韋仲認為,半導體的未來發展有兩種——其一,是繼續追隨摩爾定律;另外一項主力就是3DIC,將功能性及整合度發揮至極致,讓發展3D IC成為半導體領域的全新航道。

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