【導(dǎo)讀】3D堆疊技術(shù)憑借更高的性能、更低的功耗和更小的占位面積的優(yōu)勢，正成為高端應(yīng)用和成像應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)。《2.5D/3D硅通孔（TSV）和晶圓級堆疊技術(shù)及市場-2019版》報告作者、Yole先進(jìn)封裝技術(shù)和市場分析師Mario Ibrahim，近日有幸采訪了Xperi公司3D互聯(lián)和封裝研發(fā)副總裁Paul Enquist。
Xperi是一家上市高科技集團(tuán)公司，旗下DTS、FotoNation、Invensas和Tessera四個子公司均在各自領(lǐng)域擁有領(lǐng)先的科技專利和超過20年的運營經(jīng)驗。其中，Tessera和Invensas是提供半導(dǎo)體封裝和互聯(lián)解決方案的先驅(qū)，采用其技術(shù)的芯片已經(jīng)出貨超過1000億顆。
2018~2023年按市場細(xì)分的堆疊技術(shù)營收
數(shù)據(jù)來源：《2.5D/3D硅通孔（TSV）和晶圓級堆疊技術(shù)及市場-2019版》
混合鍵合技術(shù)包含直接堆疊的兩片晶圓，這些晶圓具有平面絕緣表面和隔離的銅互聯(lián)。混合鍵合已經(jīng)在CMOS圖像傳感器（CIS）中取代了硅通孔（TSV）互聯(lián)，在該應(yīng)用中達(dá)到了占位面積、TSV成本縮減以及混合鍵合工藝成本之間的盈虧平衡點。它現(xiàn)在被三星、蘋果和華為廣泛用于高端智能手機的CIS。Xperi是一家技術(shù)開發(fā)和許可公司，為混合鍵合工藝的開發(fā)和應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)，并為主要代工廠和集成器件制造商（IDM）提供DBI混合鍵合技術(shù)許可。
到2023年，80%的CIS制造將基于3D堆疊技術(shù)。混合堆疊CIS的市場份額將相應(yīng)增長，預(yù)計2017~2023年期間的復(fù)合年增長率（CAGR）將超過43%。
消費類市場（主要是CIS應(yīng)用），是2018年堆疊封裝營收的最大貢獻(xiàn)者，占據(jù)了65%以上的市場份額。盡管如此，高性能計算（HPC）是推動3D封裝技術(shù)創(chuàng)新的主要應(yīng)用，到2023年期間，該應(yīng)用增長速度最快，市場份額預(yù)計將從2018年的20%增長到2023年的40%。
Yole在晶圓到晶圓（Wafer to Wafer，W2W）和芯片到晶圓（Die to Wafer，D2W），3D堆疊NAND，3D堆疊DRAM存儲器和3D片上系統(tǒng)等領(lǐng)域看到了混合鍵合技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。
Mario Ibrahim（以下簡稱MI）：作為一家技術(shù)開發(fā)和許可公司，您能否簡要介紹一下Xperi及其商業(yè)模式？Xperi及其子公司展示了悠久的工藝開發(fā)歷史，包括一些最早的使能型技術(shù)，如Shellcase、ZiBond和DBI技術(shù)。請您介紹一下Xperi即將商業(yè)化的新解決方案。你們是否在繼續(xù)開發(fā)新的工藝？你們在和研究機構(gòu)合作嗎？
Paul Enquist（以下簡稱PE）：Xperi及其子公司（DTS、FotoNation、Invensas和Tessera等）致力于打造創(chuàng)新的技術(shù)解決方案，為全球客戶提供卓越的用戶體驗。Xperi的解決方案已許可給數(shù)百家全球領(lǐng)先的合作伙伴，并已出貨數(shù)十億量級的產(chǎn)品，包括優(yōu)質(zhì)音頻、汽車、廣播、計算成像、計算機視覺、移動計算和通信、內(nèi)存、數(shù)據(jù)存儲以及3D半導(dǎo)體互聯(lián)和封裝等應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)于2.5D/3D技術(shù)解決方案，Xperi專注于Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化，適用于各種半導(dǎo)體應(yīng)用。我們和從材料供應(yīng)商和設(shè)備供應(yīng)商，到半導(dǎo)體制造商和代工廠，以及優(yōu)秀研究機構(gòu)（如Fraunhofer IZM-ASSID）等整個供應(yīng)鏈展開合作。
采用Xperi公司DBI技術(shù)的3D堆疊DRAM
MI：2.5D和3D堆疊技術(shù)被認(rèn)為是摩爾定律放緩背景下最有希望的兩種替代方案。預(yù)計2023年的堆疊（封裝）營收將超過57億美元。Xperi如何看待這些集成解決方案的未來？
PE：對于半導(dǎo)體封裝行業(yè)來說，這是一段非常激動人心的時期。隨著摩爾定律的放緩，通過縮小工藝節(jié)點以改善性能、功能、功耗和成本的歷史規(guī)律大致走向盡頭，業(yè)界越來越關(guān)注2.5D/3D堆疊和集成技術(shù)以滿足市場需求。Invensas 2.5D和3D集成技術(shù)使半導(dǎo)體行業(yè)超越了摩爾定律。現(xiàn)在，通過Invensas ZiBond和DBI堆疊技術(shù)在背照式（BSI）圖像傳感器中的應(yīng)用，已經(jīng)可以看出這種轉(zhuǎn)變。最近，這些技術(shù)已經(jīng)在堆疊BSI圖像傳感器中實現(xiàn)了亞微米級像素擴展，以及光電二極管、邏輯和存儲器的異構(gòu)集成。我們相信，我們堆疊技術(shù)基本的成本和性能優(yōu)勢，將廣泛傳遞至許多其他應(yīng)用。例如，3D NAND和DRAM內(nèi)存市場已準(zhǔn)備好在不久的將來采用DBI混合鍵合技術(shù)。
MI：Xperi以授權(quán)ZiBond和DBI工藝而聞名，Xperi的主要細(xì)分市場和應(yīng)用是什么？
PE：Xperi專注于進(jìn)一步開發(fā)和商業(yè)化Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術(shù)，用于各種半導(dǎo)體應(yīng)用，包括圖像傳感器、RF、MEMS、3D NAND、DRAM和2.5D和3D-IC配置的邏輯器件。最后，我們注意到DBI混合鍵合正在賦能一大波新半導(dǎo)體器件，從一開始就以3D思維重新設(shè)計，而不是簡單地堆疊傳統(tǒng)的2D架構(gòu)。
ZiBond直接鍵合也已經(jīng)在射頻（RF）器件中應(yīng)用，用于將CMOS開關(guān)從高RF損耗原生SOI襯底，轉(zhuǎn)換到低RF損耗俘獲感應(yīng)硅或低RF損耗的非硅晶圓。隨著5G的上市及其所提出的高要求，我們預(yù)計ZiBond直接鍵合技術(shù)的價值和適用性將在RF領(lǐng)域大幅增長。
MI：您如何看待從使用TSV的ZiBond到DBI的過渡？您是否看到這些工藝的進(jìn)一步應(yīng)用？
PE：多年來，ZiBond和DBI都被用于制造BSI圖像傳感器。剛開始ZiBond用于在硅處理晶圓或在具有TSV互聯(lián)的CMOS邏輯晶圓上堆疊光電探測器晶圓。在光電探測器晶圓堆疊之前，TSV還與ZiBond一起用于CMOS邏輯器件與存儲器晶圓的堆疊和電氣互聯(lián)。使用DBI替代ZiBond進(jìn)行堆疊，已經(jīng)證明通過簡單的焊盤切割替換TSV，可以非常有效地進(jìn)一步縮小芯片并節(jié)省工藝成本。我們預(yù)計將看到向DBI混合鍵合的持續(xù)過渡，尤其是在圖像傳感器領(lǐng)域，因為行業(yè)需要像素到像素級互聯(lián)。也就是說，我們預(yù)計ZiBond和DBI將在未來多年內(nèi)持續(xù)共存。
MI：2018年末，Xperi宣布與三星達(dá)成了新的專利許可協(xié)議。Yole預(yù)計在基于DRAM的3D堆疊存儲器中將使用混合鍵合技術(shù)。這是否會為混合鍵合技術(shù)在高帶寬存儲（HBM）和3D堆疊DRAM市場打開大門？
PE：我們非常高興與三星達(dá)成協(xié)議，并期待在未來幾年實現(xiàn)互利關(guān)系。
關(guān)于在HBM和3D堆疊DRAM中使用Invensas DBI混合鍵合，我們認(rèn)為這是一種出色的解決方案，特別是在D2W配置中，因為它可以實現(xiàn)更低的電寄生效應(yīng)，更低的熱阻抗，在JEDEC（電子器件工程聯(lián)合委員會）高度限制內(nèi)實現(xiàn)更多堆疊的芯片，以及與熱壓鍵合相比減少鍵合周期。此外，DBI混合鍵合本身可以在低溫下進(jìn)行，并且不需要底部填充，這是相比替代鍵合方案的顯著優(yōu)勢。我們正積極與客戶合作，展示這些優(yōu)勢，并期待近、中期的商業(yè)化產(chǎn)品。
我們還將3D NAND視為W2W DBI混合鍵合的重要機遇。微米級DBI互聯(lián)可以支持將I/O和存儲器單元構(gòu)建在單獨的晶圓上實現(xiàn)獨立優(yōu)化的工藝節(jié)點，然后堆疊，從而實現(xiàn)顯著的性能、密度和成本優(yōu)勢。這是我們具有近、中期商業(yè)化潛力的另一個重要業(yè)務(wù)。
W2W和D2W DBI混合鍵合晶圓示意圖
MI：除了三星之外，一家總部位于中國的新存儲廠商長江存儲（YMTC），在2018年底發(fā)布了其Xtacking技術(shù)（不使用TSV）。DBI和W2W組裝工藝是否與NAND晶圓兼容？Xperi在不斷增長的中國存儲市場的計劃是什么？會很快商業(yè)化嗎？
PE：Invensas DBI技術(shù)兼容DRAM和NAND晶圓。Invensas DBI鍵合工藝的熱預(yù)算可以限制在150℃，這為廣泛的應(yīng)用打開了大門。
就中國而言，“中國制造2025”計劃正在推動中國對先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的需求。因此，我們認(rèn)為即將興起的中國半導(dǎo)體制造商和代工廠，代表了ZiBond和DBI等3D集成技術(shù)的重要機遇。我們正在這個快速增長的市場與各類廠商合作，期待很快將有產(chǎn)品商業(yè)化。
MI：在低溫鍵合中加入的縮放和低間距技術(shù)是混合鍵合的一些優(yōu)點。所需的極低表面粗糙度可能是該技術(shù)的難點/缺點。您能否詳細(xì)介紹一下混合鍵合技術(shù)的優(yōu)缺點？
PE：與其他技術(shù)相比，縮放互聯(lián)間距是DBI技術(shù)的一個基本優(yōu)勢。雖然Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合在表面粗糙度和表面清潔度方面具有嚴(yán)苛的要求，但行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的亞微米特征尺寸“大馬士革”（Damascene）工藝和潔凈室環(huán)境，已被用于多代CMOS工藝節(jié)點后端工藝的多級互聯(lián)堆疊，已被證明能夠滿足這些技術(shù)的要求，已經(jīng)出貨數(shù)十億顆的BSI圖像傳感器便是有力證明。
MI：工藝改進(jìn)的下一步是什么？
PE：我們不斷參與自己內(nèi)部和客戶的工藝改進(jìn)，以滿足特定應(yīng)用中出現(xiàn)的特定需求。過去幾年的一個重點領(lǐng)域是D2W DBI混合鍵合，我們認(rèn)為這對于DRAM和異構(gòu)邏輯器件和存儲器集成應(yīng)用非常重要。我們的研究重點是優(yōu)化切割、清潔和高通量芯片鍵合，已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。我們對這種特定方案的前景及其對半導(dǎo)體行業(yè)的影響感到非常興奮。
MI：由于更小的特征尺寸，W2W對準(zhǔn)精度要求更高。目前在HVM應(yīng)用中可行的精度是多少，未來幾年的路線圖將如何發(fā)展？
PE：目前量產(chǎn)的晶圓鍵合設(shè)備能夠達(dá)到+/- 250nm的對準(zhǔn)精度，3 sigma，并且在HVM中支持3.7um間距DBI混合鍵合。設(shè)備供應(yīng)商表示，他們的路線圖中有100nm甚至50nm，3 sigma對準(zhǔn)能力，我們很期待到時利用這種性能。
MI：高端細(xì)分領(lǐng)域的先進(jìn)封裝正變得多樣化，包括各種采用或不采用TSV的先進(jìn)封裝技術(shù)，其中包括英特爾的Foveros和EMIB、三星的RDL技術(shù)、Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWoS）、臺積電的基板上的3D SoC和集成扇出型封裝（InFO），以及安靠（Amkor）的SWIFT等技術(shù)。您是否認(rèn)為它們是現(xiàn)有TSV和W2W技術(shù)的真正挑戰(zhàn)者？Xperi如何看待這些技術(shù)？Xperi會支持這些技術(shù)嗎？
PE：我們預(yù)計會有各種各樣的封裝技術(shù)可供選擇，因為市場和應(yīng)用需求變化很大。現(xiàn)實情況是，行業(yè)需要一種包含各種封裝和互聯(lián)解決方案的工具集，可以從中選擇以解決市場不斷變化的需求。雖然，隨著應(yīng)用的成熟，可能會對這些解決方案進(jìn)行一些整合，但我們預(yù)計各種封裝和互聯(lián)解決方案將在未來幾年共存。需要注意的是，這些技術(shù)中的一些是互補關(guān)系，而不是競爭關(guān)系。例如，DBI混合鍵合是一種多功能互聯(lián)解決方案，可與各種2.5D和3D封裝組裝技術(shù)結(jié)合使用。
MI：Yole認(rèn)為，隨著臺積電作為代工廠，3D SoC技術(shù)將在2019年進(jìn)入市場。混合鍵合作為所使用的互聯(lián)技術(shù)處于有利位置。你們的技術(shù)是否適用于邏輯W2W或D2W堆疊的存儲？
PE：W2W和D2W方案中的Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術(shù)，都適用于邏輯堆疊應(yīng)用中的3D SoC和存儲器。早期的一個例子還是圖像傳感器市場，其中存儲已經(jīng)與三層堆疊圖像傳感器中的邏輯堆疊，ZiBond直接鍵合提供了機械鍵合，TSV提供了電氣互聯(lián)。DBI混合鍵合也已經(jīng)可以用于實現(xiàn)這種類型的集成。我們目前重點關(guān)注的3D堆疊DRAM的D2W研究，實際上與3D SoC直接相關(guān)。
DBI混合鍵合為3D SoC提供的令人興奮的功能，是能夠以與芯片內(nèi)互聯(lián)間距相媲美的間距，連接堆疊中的每個芯片。這可以消除I/O接口，實現(xiàn)芯片間與芯片內(nèi)互聯(lián)相當(dāng)?shù)男酒壔ヂ?lián)。這對功耗、占位面積和金屬層減少具有積極意義。實現(xiàn)這種新設(shè)計方案的一個挑戰(zhàn)是改變設(shè)計過程中的2D思維。以3D堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計器件是一種架構(gòu)模式的轉(zhuǎn)變，利用DBI混合鍵合可以實現(xiàn)很多3D SoC優(yōu)勢。
MI：顯示和增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實/混合現(xiàn)實（AR/VR/MR）市場需要高互聯(lián)密度來連接顯示器及其驅(qū)動，混合鍵合技術(shù)是否與這些市場和應(yīng)用兼容？
PE：Invensas DBI混合鍵合也非常適合顯示和AR/VR/MR市場。這些市場的常見應(yīng)用是在邏輯驅(qū)動陣列層上堆疊光學(xué)發(fā)射器陣列層，這類似于在圖像傳感器應(yīng)用的邏輯讀出陣列層上堆疊光學(xué)探測器陣列層。DBI混合鍵合可以支持低至1um的互聯(lián)間距，這些應(yīng)用可能需要使用當(dāng)前或即將推出的新設(shè)備。此外，這些光學(xué)發(fā)射器市場通常需要非硅發(fā)射器材料，例如GaN，這類材料具有與硅顯著不同的熱膨脹系數(shù)。這可以通過DBI混合鍵合工藝的低熱預(yù)算來實現(xiàn)，這與其他具有較高熱預(yù)算的鍵合技術(shù)不同，這些技術(shù)無法滿足這些市場和應(yīng)用的需求。
MI：W2W組裝以及混合鍵合是純代工業(yè)務(wù)，搶奪了外包半導(dǎo)體封測廠商（OSAT）先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)的營收。您是否看到OSAT廠商嘗試在這個領(lǐng)域重新尋求市場定位？
PE：Invensas DBI混合鍵合的低擁有成本和高附加值，使其成為有意提高利潤并擴大供應(yīng)能力的OSAT廠商的理想候選技術(shù)。尤其是D2W DBI混合鍵合技術(shù)即將商業(yè)化，為OSAT利用其高度相關(guān)的芯片處理經(jīng)驗和專業(yè)知識提供了機遇。
關(guān)于Xperi
Xperi公司以及旗下全資子公司DTS、FotoNation、Invensas 及 Tessera致力于打造各種創(chuàng)新技術(shù)方案，為全球消費者呈現(xiàn)獨一無二的體驗。數(shù)百家全球領(lǐng)先的合作伙伴獲得了Xperi解決方案的授權(quán)，數(shù)十億件授權(quán)產(chǎn)品遍布全球，產(chǎn)品范圍涵蓋音頻、廣播、計算成像、計算機視覺、移動計算和通訊、存儲、數(shù)據(jù)儲存、3D半導(dǎo)體互聯(lián)和封裝等領(lǐng)域。
來源：據(jù)麥姆斯咨詢介紹
