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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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雲端、巨量資料帶動 3D IC前景

工研院IEK

因應智慧型手持裝置的輕薄短小趨勢,次世代記憶體與處理器需要更先進的半導體製程與封裝技術,藉此驅動3D IC市場榮景以及關鍵材料的商機,對此,臺灣應藉由完整半導體產業鏈的競爭優勢,加速投入技術發展。

對應智慧手持終端的發展持續朝向輕薄、短小、多功能、省電、廉價、快速等趨勢邁進,應用處理器與次世代記憶體等關鍵零組件必須採用先進3D IC垂直堆疊技術,才能滿足終端產品對高頻寬、低功耗的需求,藉此帶來3D IC未來的市場榮景。「3D IC趨勢所帶動的關鍵材料需求,更成為不容忽視的商機之一。」工研院IEK指出,全球3D IC與晶圓級(WLP)材料市場在2010年僅約4.7億美元,預估至2016年將具有17.9億美元規模,年複合成長率(CAGR)高達25%。

不容忽視的3D IC製程結構與關鍵材料

「未來電子產品的應用趨勢除了持續緊扣雲端服務,可以預期的是,Data Center也將使電子產品持續追求高效能、節能、低成本等特性,」工研院IEK材料研究部研究員張致吉指出,有鑑於下游中高階伺服器、網通設備與繪圖應用產品不斷強調大容量與資料處理速度,並根據預期2014年Xilinx、Cisco、Nvidia、Intel等國際大廠將陸續採用2.5D與3D IC製程來發展FPGA、CPU∕GPU和下世代記憶體產品等,藉以滿足終端市場的需求。

因應終端產品需求,3D IC製程發展不斷往前推進,張致吉說,目前構裝產品追求的製程目標包括:尺寸縮小35%、功率降低50%、功能與頻寬增加8倍,以及超越摩爾定律,希望將半導體元件與模組的功能性與整合度發揮到極致。

而要達成上述目標,市場需要更先進的3D IC堆疊技術。張致吉強調,3D IC技術很早就有,而且技術演進速度非常快,其中3D IC堆疊技術已從較早的打線接合(Wire Bond)、覆晶(Flip Chip)、嵌入式晶圓級封裝(Embedded WLP),一直發展到堆疊式晶圓級封裝(Stacked Chip Scale Package;SCSP)、封裝層疊(Package on Package,PoP)以及矽穿孔(TSV)等。從技術發展脈絡可以發現,半導體構裝產業不斷在追求可以減少晶片厚度及材料成本、提升晶片效能、降低電磁干擾與功率消耗的3D堆疊封裝技術。

層出不窮的3D IC堆疊技術也對關鍵材料廠商帶來挑戰。張致吉分析,不同堆疊封裝技術所需的關鍵材料各不相同,大抵上,3D IC廠商對材料的選擇主要以高可靠性與容易導入製程為兩大重點,因此,材料廠商必須發展出具可靠性又容易導入製程的產品,才能贏得市場青睞。

綜合歸納3D IC製程結構、關鍵技術與相關材料,可以發現TSV成形、晶圓薄化技術、晶圓操控(wafer Handling)、中介層(interposer)、晶圓接合與組合都是廠商需要持續關注的重點。若從材料切入,則以重分布層(RDL)、結合(bonding),以及阻障層(barrier layer)與晶種層(Seed Layer)的化學沉積,是臺廠最具發展潛力的項目。

我國半導體產業鏈完整 臺廠機會大

「面對3D IC趨勢所驅動的市場機會,臺灣因半導體產業鏈完整,因此具有3D IC生態發展優勢,贏得商機的機會很大。」張致吉認為,依目前製程技術與設備到位的情勢來看,臺灣半導體產業鏈如果由台積電、聯電等前段製造廠商向後延伸至中段製程,便可加速產業發展。

如果由後段製程向前延伸至中段布局,雖然需要較長的發展時間,但對於產業結構發展較為全面性。張致吉分析,未來中高階智慧終端可能採用Embedded SiP∕Fan-out PoP等偏後段製程的泛3D IC技術,所以適合我國載板供應商切入,預計未來泛3D IC技術領域,封測廠和載板廠將囊括8成以上產能。

綜觀3D IC製程設備與材料供應現況,目前大部分仍為國外供應商所把持,此外,各國正競相組成3D IC聯盟,希望借力各方資源,尋找設備搭配材料的最佳解決方案,駱韋仲表示,面對此一競爭趨勢,工研院也已經成立「先進堆疊系統與應用研發聯盟」(Ad-STAC),提供聯盟廠商完整3D IC製程測式運作平台之外,也協助廠商使用國廠化設備與材料,降低成本,並且積極與國際鏈結,協助拓展全球市場。

陳文彥則指出,在3D IC製程元件尚未標準化之前,要做材料開發的風險相對較高,而且根據過去經驗,愈接近前段製程,所使用的材料量愈少,臺廠要攻克的希望也是愈渺茫,因此,工研院將特別著墨於使用量多的耗材,目前也攜手業界提出計畫,擬開發中介層用材料。

潘益宗則強調,做3D IC製程關鍵地位的材料領域,在3D IC成本結構中的占比並不多,因此廠商絕不會輕易冒險更動已經驗證無虞的材料,就算免費提供新材料以供測試也無用。

所以,臺廠應從製程研發先期就要簽訂長期合作的契約,要不就是找出具有利基點的標的,然後花時間蹲馬步,力求端出全球最佳的解決方案。

總而言之,3D IC是一定會發生的願景,面對此一趨勢,我國半導體上下游廠商都應該對處於3D IC關鍵地位的材料領域,有更深的著墨,不管是國內上下游產業鏈的整合或是因循國際大廠積極進行策略聯盟,乃至於深耕製程技術與材料研發,都是臺廠未來贏得3D IC商機的關鍵所在。

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