3D IC晶片堆疊技術的商用化進展在2017年經歷了重大突破，在此之前，業界對於3D IC技術抱持著相當懷疑的態度，但現在卻開始發現3D IC晶片堆疊技術不見得需要花費更多成本，而更棒的是，還可帶來更多的機會和可能性。

商用市場中的3D IC晶片堆疊技術的使用

3D IC晶片堆疊技術在2017年開始被應用於一系列不同的商業化產品中，例如，iPhone 8使用了Sony的堆疊式圖像感測器（stacked image sensor），此圖像感測器將感測器、運算晶片和記憶體堆疊成單元件（single unit），使照片和影片的成像品質更為提升。

此外，3D IC晶片堆疊也是記憶體的趨勢，隨著高頻寬模組使用的增長，而這些模組每個皆有4~8個DRAM記憶體晶片堆疊在處理器晶片上。AMD和Nvidia於2017年也都根據此架構，在市場上發表了應用於高端筆電和AI應用的處理器。

扇出型晶圓級封裝（Fan-Out WLP, FOWLP）在2017年也有了巨大進展，FOWLP被視為標準WLP的下一代技術，解決了晶片和印刷電路板間的不匹配和互連間隙的問題，晶片被切割成矽晶圓後再安裝至晶圓載體上，跟原本晶圓製程相比，安裝位置更為分散，這些重構後的晶片會再以環氧模壓樹脂（Epoxy Mold Compound）、重分佈層（redistribution layer）和焊球（solder balls）包覆。

英飛凌開發FOWLP已有15年，但最近FOWLP才又重新被有效地採用為晶圓堆疊的製程，例如Apple A10處理器採用了台積電稱為inFO的扇出型技術去堆疊DRAM記憶體和CPU。

建構每個晶片區塊的最佳技術

在接下來的這幾年，3D IC堆疊晶片技術的應用會在更多更廣泛的種類明顯增加，特別是需要強大計算能力和記憶體容量的應用，包括多核伺服器和人工智慧相關應用。另外，隨著系統內部組成越來越異質化，3D IC堆疊技術則成為關鍵，一個異質化的系統會由各種不同的零組件構成，如記憶體、影像感測器、用於類比功能和射頻的三五族電子設備、處理器、低功耗電子設備等，以最適合的技術去設計和加工每一個零組件，然後再利用3D IC堆疊技術將其封裝成單元件，藉此可使電子系統的運作效能增進，成本和功耗降低。

圖1 : 愛美科 3D IC晶片堆疊技術一覽表

晶圓對晶圓的接合

愛美科（imec）一直以來堅信3D IC晶片堆疊技術的力量，並且投注大量精力去提升這項技術，例如在2017年，愛美科在晶圓對晶圓的接合上達成了卓越成果，進一步成功縮小混合晶片接合的間距至1.4微米（目前產業界中的標準間距為6微米），愛美科相信在2018年0.7微米的間距可被達成，這項研究為3D計畫的一部分，且與3D IC儀器設備商有密切合作。

此外，愛美科在2017年在晶圓對晶圓接合領域中的後鑽孔（via-last）技術方面，縮小了直通矽晶鑽孔（through-silicon via；TSC）直徑至1微米，而間距縮小為2微米（目前產業界中的標準為直徑5微米，間距10微米），2018年愛美科會展開技術優化，包含4、8、16吋的晶圓封裝技術，而這些多晶片堆疊的技術對記憶體應用格外重要。

在晶片到晶圓技術方面，愛美科已能使微凸塊（microbump）間距縮小至10微米，2017年的焦點則在於發展集體接合（collective bonding)，使晶片到晶圓接合過程的速度可以加快且成本更低，在接合過程中，目前還是使用將晶片一片片轉移的方式進行，但有了集體接合技術，將晶片排列在晶圓載體時，可全部一起轉移至其他晶圓上進行接合。

2017年愛美科針對此接合過程發展出一套概念流程，並向業界展示其可行性，也確保了此流程可被用於將非矽晶片轉移至矽晶圓上（如光學I/O、雷射、功率放大器、三五族、microLED等），未來此類技術的擴展會很重要，因為愛美科將觸及到由特殊零組件所構成的異質化系統，而異質化系統正在增長中。

微射流冷卻晶片

2017年愛美科最大創舉即為在晶片封裝上使用3D原型化（3D prototyping），並更具體地發展出晶片冷卻的新概念。3D原型化的分辨率一直不斷提升，將此技術應用於電子系統會很有趣。

因此，針對特定應用來優化晶片封裝設計時，就可以不用原本標準的設計方法（這時便產生了特製化的趨勢），3D原型化顯然是實現愛美科對晶片冷卻概念的最佳方法，此概念包含將微流體層（microfluidic layers）裝在晶片後側，之後再將微射流噴到晶片上以有效地冷卻晶片，這種冷卻過程的效益和成本都優於目前最先進的製程，最主要是因為各種中間層（intermediate layers）可以被省略掉，晶片背面可被直接冷卻。

2018年愛美科將以3D列印為基礎進一步發展此冷卻技術，使愛美科能將設計進行優化，並往傳統製程技術上被認為不可能的方向前進，這些進展將包含供應通道和3D設計的實現，以避免不必要的壓力下降，因此愛美科能夠以最佳且最可行的方法，將冷卻劑（coolant）塗在晶片表面。

圖2 : 愛美科3D系統整合計畫執行長Eric Beyne

（本文由愛美科授權刊登）