3D芯片堆叠的潜力多大？
IBM和日本半导体公司东京电子宣布在3D芯片堆叠方面取得新突破，成功实施了一种新工艺，用于生产用于3D芯片堆叠技术的300毫米硅芯片晶圆。芯片堆叠目前仅用于高端操作，如高带宽存储器的生产，具有扩大给定体积内晶体管数量的潜力。
与摩尔定律放缓的斗争仍在继续。3D芯片堆叠是业界最前沿的技术之一，多家公司都在努力将“每单位面积的晶体管”转变为“每单位体积的晶体管”。
与将所有模块都放在平面层上的传统二维芯片相比，该三维芯片允许多层堆叠，而TSV用于提供多个晶圆的垂直通信。其中，TSV是3D芯片堆叠技术的关键。
3D堆叠技术是利用堆叠技术或通过互连和其他微加工技术在芯片或结构的Z轴方向上形成三维集成，信号连接以及晶圆级，芯片级和硅盖封装具有不同的功能。针对包装和可靠性技术的三维堆叠处理技术。该技术用于微系统集成，是在片上系统（SOC）和多芯片模块（MCM）之后开发的先进的系统级封装制造技术。
在传统的SiP封装系统中，任何芯片堆栈都可以称为3D，因为在Z轴上功能和信号都有扩展，无论堆栈位于IC内部还是外部。目前3D堆叠技术包括：基于芯片堆叠的3D技术、基于有源TSV的3D技术、基于无源TSV的3D技术和基于芯片制造的3D技术。
芯片堆叠架构需要硅层之间的垂直连接，称为TSV，允许电流在一个硅层之间流动的微小连接，允许每一层与其他层通信。该工艺需要减薄硅晶片的背面，以显示并完成垂直堆叠所需的TSV制造。构成芯片堆叠的层非常薄，通常小于100微米厚。
为确保这些易碎且灵活的硅晶圆能够通过生产过程，每个晶圆都连接到所谓的载体晶圆上。在现代芯片制造中，这些载体晶圆通常由玻璃制成，玻璃会临时粘合到硅上，以确保它可以在不被损坏的情况下进行加工。处理完晶圆后，使用紫外激光将玻璃载体从硅中移除，以释放两层之间的键合。在某些情况下，可以使用硅载体晶片，但这需要释放过程采用机械力来促进分离，这会引入缺陷和产量损失。
IBM和东京电子已经找到了一种方法，可以使硅载体晶圆用于3D芯片制造，而不会存在当前的缺陷。他们的新方法使用红外激光将硅载体晶片与其他硅晶片分离。
这种技术的好处让硅晶片可以与其他硅片粘合，这意味着不再需要将玻璃引入生产线。还有与处理键合硅晶片对相关的制造优势，例如消除工具兼容性和卡盘问题、更少的缺陷和与不同晶片对相关的工艺问题，以及实现薄晶片的在线测试。该技术使用可扩展的硅互连实现先进的FOWL和3D小芯片技术。
该工艺使用新的300毫米模块进行了演示，两家公司称这是第一个300毫米级别的3D堆叠硅芯片晶圆。
这两家公司合作了20多年，四年来一直致力于这种激光剥离技术，包括在纽约奥尔巴尼建造beta系统，特别是在半导体研发中心奥尔巴尼纳米技术综合体。接下来，他们计划在将激光剥离技术实施到实际生产线时进一步进行Beta测试。
3D芯片制造未来将会是一个增长领域，预计到2029年2.5D/3D芯片封装领域的复合年增长率将达到10.1%（根据全球行业分析师的报告）。事实上，像AMD和Graphcore这样的公司在过去一年中一直在大力投资堆叠芯片技术。
IBM希望其对3D堆叠芯片技术的投资能够帮助简化生产流程，并为目前困扰生产商和消费者的全球芯片短缺提供一线希望。
“虽然芯片堆叠并不新鲜，并且已被许多芯片制造商使用，但IBM和东京电子创建的工艺应该可以提高大规模生产堆叠芯片的效率，从而以更低的缺陷率创建更复杂的设计，”J.Gold Associates总裁兼首席分析师Jack Gold评论道。“当然，这仍处于原型阶段，因此需要在晶圆厂生产线上全面实施。但如果扩大规模，它可以使高性能堆叠芯片更有能力，并能够产生更多创造性的设计，作为连接在一起的构建块，而不是扁平的单片设计，考虑到当今的芯片复杂性，这确实扩展了晶圆厂工艺的界限。”
来源：半导体产业纵横
