【SEMI 異質整合系列】台積電、三星等全球半導體大廠都在佈局,從商業思維談異質整合技術的挑戰

半導體產業

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經過多篇文章的介紹,想必讀者已經對「異質整合(Heterogeneous Integration)」未來應用有一定程度的了解,但實際狀況總不和想像一樣美好,異質整合被認為是摩爾定律失效後的發展重點,它能賦予單晶片更多功能、更小的體積並降低功耗,然而若能簡單實作,半導體廠商也不用辛苦研發這項技術了。

實務上企業要試作晶片不難,要能夠「穩定量產」才是最困難的挑戰,異質整合技術喊得很美好,但實際上普及過程會面臨到巨大的挑戰,因為要把晶片從平面推升到立體的層面,好比平面拼圖升級到複雜的 3D 拼圖,難度是跳躍級的提升,牽涉到半導體上中下游的層面,必須串連整個價值鏈才有可能做到,要解決的問題實在太多,像是新的導線材料、架構以及傳輸協議。

技術面挑戰:晶片散熱與干擾問題

以技術原理來看,異質整合要克服的最大問題有兩個,分別是「發熱」以及「干擾」問題,首先異質整合的概念是在同樣的面積堆疊多個晶粒(Die)或是感測器,形成多層的 3D 架構,然而晶片都是靠對外的接觸面積進行被動散熱。

堆疊後的結果好比人類在夏天 34 度的戶外蓋上棉被,發熱會聚積在晶片底部無法散出,最後導致晶片過熱停止運作,尤其異質整合的主要應用在於行動裝置,散熱原先就是個棘手的問題,未來要如何透過導熱架構與創新材料克服發熱將成為一大挑戰。

另一個問題則是「干擾」,晶片是靠電流的變換來進行運算,如果單一個晶片內部存在多個運算單元,那麼彼此在運作中便很可能發生電磁干擾,進入高速運算時代後,數據輸入及輸出的速度都達到 Gb 等級,雜訊跟訊號干擾也會更多。

除此之外,異質整合不只涵蓋數位晶片,也會整合類比晶片,例如感測器與數據機,屆時訊號處理更加複雜,特別是在堆疊的立體架構下,多維度雜訊會更加難以處理,這也是為何 3D 晶片發展了數年還沒有真正量產。

怎麼說?晶片內部的訊號就像是高速公路一樣,道路上充斥著高速行駛且無法控制的車輛,過去平面的還算好管理,只要做好分流即可,但假設現在導入了高架橋,提供多個交流道讓汽車上下變換多個層數,車流會更加錯綜複雜,導致車禍的發生機率大大提高── 晶片設計好比道路規劃,如何降低訊號彼此的干擾與衝突十分棘手。

異質整合技術普及的關鍵牽涉到 IC 設計、材料公司、晶圓代工到封裝測試,等同涵蓋了整個半導體產業,成功的話整個產業鏈都將受惠,為半導體廠帶來新的營收成長動能,但先進卻昂貴異質整合技術真的有市場嗎?

商業市場考量:各階段產品定位忠實反映設計成本

答案是有的,異質整合雖然是特殊製程,卻可以視為先進製程的一種,商業思考與先進製程類似。

市場初期採用「異質整合技術」的新製程晶片肯定很昂貴,只有利潤最高、出貨量大的產品願意採用,因此初期會聚焦在高利潤且競爭激烈的穿戴式與行動裝置,例如智慧型手機與穿戴式裝置,後續才會依照市場變化滲透到筆記型電腦、車用電子,最後才輪到成本敏感的物聯網市場。

舉例來說,最先進的製程第一波的產品大多是行動裝置處理器,訂單來自高通、華為、蘋果等大廠,只有他們的出貨量夠大且利潤高,願意投資在昂貴的先進製程當中,不久後產能轉移到電腦處理器與資料中心,像是 AMD 與 Intel 的產品,接著才逐步普及到中低階的晶片產品── 這樣的模式已經在 7nm 、 16nm 以及 28nm 上演好幾次。

全球半導體大廠聚焦異質整合路線

半導體是分工精細的產業,具指標性的先進製程更牽動整個半導體產業鏈,這也是為何台灣半導體聚落在全球高科技價值鏈扮演重要的角色。而面對下一個十年,異質整合的重要性不亞於更先進的奈米製程。事實上台灣半導體業界從設計、材料、製程到封裝都在朝異質整合的方向前進,力求在更快速變遷的後摩爾時代強化產品競爭力。

全球都在尋找先進製程之外的可能性,特殊製程有望提高晶片整合效能、降低晶片製造成本,加速產品產業化的時程,因而成為眾所矚目的焦點。儘管異質整合技術還在早期發展階段,長期而言深具發展潛力。

為了一探未來的半導體發展趨勢, SEMI Taiwan 即將在 9 月 18 到 20 日舉辦 SEMICON Taiwan 國際半導體展,論壇預計涵蓋異質整合的最新材料、技術與與應用市場趨勢,透過產、學、研各界專家分享,不只描述概念,而是更深入研究細部技術架構與研發現況,值得想一手掌握半導體最新趨勢的你前往了解。

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