圖4：使用TSV的簡單3D IC。
半導體產業討論三維晶片(3D IC)已經有一段時間了，在圍繞新興技術的喧囂聲中人們很容易陶醉其中。3D IC已經能量產出貨，因此在技術上是完全可行的，而且對於記憶體產業這一類的用戶來說也能夠提供足夠高的經濟效益。這種新元件使用稱為矽穿孔(TSV)的垂直連接器，直接連接包含主動邏輯元件的晶片。
以3D方式設計晶片有助於縮短路徑長度，從而提高執行速度。記憶體晶片使用客製化佈局，除了驗證以外也不需再使用EDA軟體。
那麼，為何晶片產業的其他領域還未能採納3D IC呢？由於目前大多數公司所使用的並不是最新的製程節點，他們藉由更低製程開發新產品以便降低風險。對於大眾化市場產品來說，最可能使用的是更小的製程節點，目前看來採用單晶片解決方案更較3D IC具成本效益。
更直接的問題是：在目前2.5D元件對大多數應用來說還是可行解決方案的情況下，誰會需要3D IC呢？2.5D技術可讓處理器、記憶體堆疊、混合訊號元件、感測器和可重編程單元整合進單一封裝中，不受單一製程的約束或使用中間層進行連接。對於晶片製造商如FPGA專業公司賽靈思(Xilinx)來說，在Virtex-7系列可編程元件中採用2.5D技術是完全正確的技術和經濟的解決方案。
由於採用2.5D IC會帶來諸多新的製造、封裝、設計和測試等問題，因而也為電子產業帶來是否已經為2.5D IC作好了準備的思考。在大多數公司面臨受到更多風險所需的必要回報之前，這些考慮因素必須整合於設計自動化和製造流程中。
建構2.5D晶片需要使用中間層，這種中間層一般就是晶片內部的一塊PCB板。在此必須使用一些工具來最佳化該PCB的佈局設計、置入TSV並處理系統級連接關係。晶片透過微型錫球連接到中間層。EDA擷取工具必須進一步擴展，以便考慮到TSV、微型錫球和中間層佈線方面的寄生效應。還必須針對2.5D晶片調整訊號完整性、時序與功耗分析功能。熱分析工具也必須能夠用於計算整個堆疊的溫度梯度。
這個產業正從賽靈思等早期採用者學習到3D方面的經驗教訓。賽靈思公司FPGA開發與矽技術部副總裁Liam Madden在最近舉行的一次產業大會上表示，中間層與晶片之間的介面可靠性是業界比較關心的，但由於它們具有相同的熱膨脹係數，因此可靠性“實際上相當高”。
Globalfoundries公司封裝研發部資深總監David McCann在此小組討論會上表示，TSV已被證實對熱管理非常有效。Apache Design公司產品工程與支援部副總裁Aveek Sarkar補充道，“功耗分析一直是一個‘全局性’的問題，它必須包含完整晶片設計，並考慮到封裝與PCB寄生效應。”
現在它還將要求考慮所有IC的供電網路結構和電流負載，以及中間層、封裝和PCB寄生效應。
寄生效應通常包含在製程設計套件(PDK)中。eSilicon公司製造技術總監Javier DelaCruz解釋說：“業界有少數幾家公司斥重資於研發，而且這些公司已經特別同意全球主要的代工廠進行利用，並且擁有首先使用新技術的專有權。這些公司對於所使用的設計規則也有保密的要求，因而已經在研發結果基礎上開發出了自己的PDK。”
Synopsys公司3D IC策略與行銷部資總監Steve Smith透露，該公司從台積電(TSMC)等代工廠獲得了製程數據和基本規則，也瞭解到這些規則還需要不斷的最佳化。受代工廠控制的敏感設計數據包括TSV尺寸以及有關TSV的設計規則等。Synopsys設計工具用於確保必要機制的存在，但該公司並不關注確切的數據。“作為迴路的一部份，TCAD工具可讓代工廠分析熱應力等數據，從而協助代工廠進一步最佳化設計規則組合，Smith表示。
Atrenta公司行銷副總裁Mike Gianfagna表示同意：“EDA工具可以用來幫助早期測試方法的開發。這些工作將推動製程的成熟和良率的提高。”
整合測試
測試是需要特別關注的另外一個領域，它也必須整合於製造過程中。應該在晶圓級測試每個晶片、製作確定良好的晶片堆疊體嗎？在裝配後應該再次測試晶片嗎？它們是如何實現隔離和存取的？新興的iJTAG(IEEE 1687)標準將使測試結構的嵌入變得更加容易。
太克公司(Tektronix)嵌入式儀器部門首席架構師Brad Quinton表示，“有了3D IC後，功能方面的整合可能會加速，而難以探測的高速串列介面將被無法探測的晶片至晶片介面所取代。”
相較於更傳統的板級晶片解決方案，使用2.5D IC具有一些明顯的優勢。例如，晶片之間的通訊擁有更低得多的電容器和更短延遲，在與Wide I/O等技術結合使用時，能夠打破現有瓶頸，並提高系統性能。
Nimbic公司執行長Raul Composano指出，雖然Jedec組織正為這些介面進行標準化，但仍有許多問題。“特別是對於邏輯上的記憶體來說，透過TSV驅動的Wide I/O標準在電源管理方面具有特別吸引人的特性。”Mentor Graphics公司總經理Joseph Sawicki表示。根據這些業界執行長們的分析，完全可以得出這樣的結論：雖然目前還有一些稜角必須磨平處理，2.5D IC已經為那些需要它們的人作好準備了。同時，隨著數據和經驗的積累，EDA工具也有助於進一步完善2.5D IC。
至少到目前為止，除了早期採納者以外，究竟還有多少公司願意擁抱3D IC的前景與風險，一切也仍是未知數！
作者：李博安
圖1：賽靈思Virtex-7 2.5D晶片堆疊
圖3：2.5D設計必須增加矽中間層與TSV與(為簡化示意圖，僅顯示兩個晶片)
圖2：由三星、美光和IBM設計的混合記憶體體原型。
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