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Xperi:混合鍵合技術賦能3D堆疊應用,從圖像傳感器到存儲器和高性能計算

發布時間:2019-03-15 責任編輯:xueqi

【导读】3D堆叠技术凭借更高的性能、更低的功耗和更小的占位面积的优势,正成为高端应用和成像应用的新标准。《2.5D/3D硅通孔(TSV)和晶圆级堆叠技术及市場-2019版》报告作者、Yole先进封装技术和市場分析师Mario Ibrahim,近日有幸采访了Xperi公司3D互联和封装研发副总裁Paul Enquist。
 
Xperi是一家上市高科技集團公司,旗下DTS、FotoNation、Invensas和Tessera四個子公司均在各自領域擁有領先的科技專利和超過20年的運營經驗。其中,Tessera和Invensas是提供半導體封裝和互聯解決方案的先驅,采用其技術的芯片已經出貨超過1000億顆。
 
2018~2023年按市場细分的堆叠技术营收
数据来源:《2.5D/3D硅通孔(TSV)和晶圆级堆叠技术及市場-2019版》
 
混合鍵合技術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。混合鍵合已經在CMOS圖像傳感器(CIS)中取代了矽通孔(TSV)互聯,在該應用中達到了占位面積、TSV成本縮減以及混合鍵合工藝成本之間的盈虧平衡點。它現在被三星、蘋果和華爲廣泛用于高端智能手機的CIS。Xperi是一家技術開發和許可公司,爲混合鍵合工藝的開發和應用做出了貢獻,並爲主要代工廠和集成器件制造商(IDM)提供DBI混合鍵合技術許可。
 
到2023年,80%的CIS制造将基于3D堆叠技术。混合堆叠CIS的市場份额将相应增长,预计2017~2023年期间的复合年增长率(CAGR)将超过43%。
 
消费类市場(主要是CIS应用),是2018年堆叠封装营收的最大贡献者,占据了65%以上的市場份额。尽管如此,高性能计算(HPC)是推动3D封装技术创新的主要应用,到2023年期间,该应用增长速度最快,市場份额预计将从2018年的20%增长到2023年的40%。
 
Yole在晶圆到晶圆(Wafer to Wafer,W2W)和芯片到晶圆(Die to Wafer,D2W),3D堆叠NAND,3D堆叠DRAM存储器和3D片上系统等领域看到了混合键合技术的进一步应用。
 
Mario Ibrahim(以下简称MI):作为一家技术开发和许可公司,您能否简要介绍一下Xperi及其商业模式?Xperi及其子公司展示了悠久的工艺开发历史,包括一些最早的使能型技术,如Shellcase、ZiBond和DBI技术。请您介绍一下Xperi即将商业化的新解决方案。你们是否在继续开发新的工艺?你们在和研究机构合作吗?
 
Paul Enquist(以下简称PE):Xperi及其子公司(DTS、FotoNation、Invensas和Tessera等)致力于打造创新的技术解决方案,为全球客户提供卓越的用户体验。Xperi的解决方案已许可给数百家全球领先的合作伙伴,并已出货数十亿量级的产品,包括优质音频、汽车、广播、计算成像、计算机视觉、移动计算和通信、内存、数据存储以及3D半导体互联和封装等应用领域。关于2.5D/3D技术解决方案,Xperi专注于Invensas ZiBond直接键合和DBI混合键合技术的开发和商业化,适用于各种半导体应用。我们和从材料供应商和设备供应商,到半导体制造商和代工厂,以及优秀研究机构(如Fraunhofer IZM-ASSID)等整个供应链展开合作。
 
采用Xperi公司DBI技術的3D堆疊DRAM
 
MI:2.5D和3D堆疊技術被認爲是摩爾定律放緩背景下最有希望的兩種替代方案。預計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:对于半导体封装行业来说,这是一段非常激动人心的时期。随着摩尔定律的放缓,通过缩小工艺节点以改善性能、功能、功耗和成本的历史规律大致走向尽头,业界越来越关注2.5D/3D堆叠和集成技术以满足市場需求。Invensas 2.5D和3D集成技术使半导体行业超越了摩尔定律。现在,通过Invensas ZiBond和DBI堆叠技术在背照式(BSI)图像传感器中的应用,已经可以看出这种转变。最近,这些技术已经在堆叠BSI图像传感器中实现了亚微米级像素扩展,以及光电二极管、逻辑和存储器的异构集成。我们相信,我们堆叠技术基本的成本和性能优势,将广泛传递至许多其他应用。例如,3D NAND和DRAM内存市場已准备好在不久的将来采用DBI混合键合技术。
 
MI:Xperi以授权ZiBond和DBI工艺而闻名,Xperi的主要细分市場和应用是什么?
 
PE:Xperi专注于进一步开发和商业化Invensas ZiBond直接键合和DBI混合键合技术,用于各种半导体应用,包括图像传感器、RF、MEMS、3D NAND、DRAM和2.5D和3D-IC配置的逻辑器件。最后,我们注意到DBI混合键合正在赋能一大波新半导体器件,从一开始就以3D思维重新设计,而不是简单地堆叠传统的2D架构。
 
ZiBond直接鍵合也已經在射頻(RF)器件中應用,用于將CMOS開關從高RF損耗原生SOI襯底,轉換到低RF損耗俘獲感應矽或低RF損耗的非矽晶圓。隨著5G的上市及其所提出的高要求,我們預計ZiBond直接鍵合技術的價值和適用性將在RF領域大幅增長。
 
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一步應用?
 
PE:多年來,ZiBond和DBI都被用于制造BSI圖像傳感器。剛開始ZiBond用于在矽處理晶圓或在具有TSV互聯的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。使用DBI替代ZiBond進行堆疊,已經證明通過簡單的焊盤切割替換TSV,可以非常有效地進一步縮小芯片並節省工藝成本。我們預計將看到向DBI混合鍵合的持續過渡,尤其是在圖像傳感器領域,因爲行業需要像素到像素級互聯。也就是說,我們預計ZiBond和DBI將在未來多年內持續共存。
 
MI:2018年末,Xperi宣布与三星达成了新的专利许可协议。Yole预计在基于DRAM的3D堆叠存储器中将使用混合键合技术。这是否会为混合键合技术在高带宽存储(HBM)和3D堆叠DRAM市場打开大门?
 
PE:我們非常高興與三星達成協議,並期待在未來幾年實現互利關系。
 
关于在HBM和3D堆叠DRAM中使用Invensas DBI混合键合,我们认为这是一种出色的解决方案,特别是在D2W配置中,因为它可以实现更低的电寄生效应,更低的热阻抗,在JEDEC(电子器件工程联合委员会)高度限制内实现更多堆叠的芯片,以及与热压键合相比减少键合周期。此外,DBI混合键合本身可以在低温下进行,并且不需要底部填充,这是相比替代键合方案的显著优势。我们正积极与客户合作,展示这些优势,并期待近、中期的商业化产品。
 
我们还将3D NAND视为W2W DBI混合键合的重要机遇。微米级DBI互联可以支持将I/O和存储器单元构建在单独的晶圆上实现独立优化的工艺节点,然后堆叠,从而实现显著的性能、密度和成本优势。这是我们具有近、中期商业化潜力的另一个重要业务。
 
W2W和D2W DBI混合键合晶圆示意图
 
MI:除了三星之外,一家总部位于中国的新存储厂商长江存储(YMTC),在2018年底发布了其Xtacking技术(不使用TSV)。DBI和W2W组装工艺是否与NAND晶圆兼容?Xperi在不断增长的中国存储市場的计划是什么?会很快商业化吗?
 
PE:Invensas DBI技术兼容DRAM和NAND晶圆。Invensas DBI键合工艺的热预算可以限制在150℃,这为广泛的应用打开了大门。
 
就中国而言,“中国制造2025”计划正在推动中国对先进半导体技术的需求。因此,我们认为即将兴起的中国半导体制造商和代工厂,代表了ZiBond和DBI等3D集成技术的重要机遇。我们正在这个快速增长的市場与各类厂商合作,期待很快将有产品商业化。
 
MI:在低溫鍵合中加入的縮放和低間距技術是混合鍵合的一些優點。所需的極低表面粗糙度可能是該技術的難點/缺點。您能否詳細介紹一下混合鍵合技術的優缺點?
 
PE:与其他技术相比,缩放互联间距是DBI技术的一个基本优势。虽然Invensas ZiBond直接键合和DBI混合键合在表面粗糙度和表面清洁度方面具有严苛的要求,但行业标准的亚微米特征尺寸“大马士革”(Damascene)工艺和洁净室环境,已被用于多代CMOS工艺节点后端工艺的多级互联堆叠,已被证明能够满足这些技术的要求,已经出货数十亿颗的BSI图像传感器便是有力证明。
 
MI:工藝改進的下一步是什麽?
 
PE:我们不断参与自己内部和客户的工艺改进,以满足特定应用中出现的特定需求。过去几年的一个重点领域是D2W DBI混合键合,我们认为这对于DRAM和异构逻辑器件和存储器集成应用非常重要。我们的研究重点是优化切割、清洁和高通量芯片键合,已经取得了显著进展。我们对这种特定方案的前景及其对半导体行业的影响感到非常兴奋。
 
MI:由于更小的特征尺寸,W2W對准精度要求更高。目前在HVM應用中可行的精度是多少,未來幾年的路線圖將如何發展?
 
PE:目前量产的晶圆键合设备能够达到+/- 250nm的对准精度,3 sigma,并且在HVM中支持3.7um间距DBI混合键合。设备供应商表示,他们的路线图中有100nm甚至50nm,3 sigma对准能力,我们很期待到时利用这种性能。
 
MI:高端细分领域的先进封装正变得多样化,包括各种采用或不采用TSV的先进封装技术,其中包括英特尔的Foveros和EMIB、三星的RDL技术、Chip-on-Wafer-on-Substrate(CoWoS)、台积电的基板上的3D SoC和集成扇出型封装(InFO),以及安靠(Amkor)的SWIFT等技术。您是否认为它们是现有TSV和W2W技术的真正挑战者?Xperi如何看待这些技术?Xperi会支持这些技术吗?
 
PE:我们预计会有各种各样的封装技术可供选择,因为市場和应用需求变化很大。现实情况是,行业需要一种包含各种封装和互联解决方案的工具集,可以从中选择以解决市場不断变化的需求。虽然,随着应用的成熟,可能会对这些解决方案进行一些整合,但我们预计各种封装和互联解决方案将在未来几年共存。需要注意的是,这些技术中的一些是互补关系,而不是竞争关系。例如,DBI混合键合是一种多功能互联解决方案,可与各种2.5D和3D封装组装技术结合使用。
 
MI:Yole认为,随着台积电作为代工厂,3D SoC技术将在2019年进入市場。混合键合作为所使用的互联技术处于有利位置。你们的技术是否适用于逻辑W2W或D2W堆叠的存储?
 
PE:W2W和D2W方案中的Invensas ZiBond直接键合和DBI混合键合技术,都适用于逻辑堆叠应用中的3D SoC和存储器。早期的一个例子还是图像传感器市場,其中存储已经与三层堆叠图像传感器中的逻辑堆叠,ZiBond直接键合提供了机械键合,TSV提供了电气互联。DBI混合键合也已经可以用于实现这种类型的集成。我们目前重点关注的3D堆叠DRAM的D2W研究,实际上与3D SoC直接相关。
 
DBI混合键合为3D SoC提供的令人兴奋的功能,是能够以与芯片内互联间距相媲美的间距,连接堆叠中的每个芯片。这可以消除I/O接口,实现芯片间与芯片内互联相当的芯片级互联。这对功耗、占位面积和金属层减少具有积极意义。实现这种新设计方案的一个挑战是改变设计过程中的2D思维。以3D堆叠结构设计器件是一种架构模式的转变,利用DBI混合键合可以实现很多3D SoC优势。
 
 
MI:显示和增强现实/虚拟现实/混合现实(AR/VR/MR)市場需要高互联密度来连接显示器及其驱动,混合键合技术是否与这些市場和应用兼容?
 
PE:Invensas DBI混合键合也非常适合显示和AR/VR/MR市場。这些市場的常见应用是在逻辑驱动阵列层上堆叠光学发射器阵列层,这类似于在图像传感器应用的逻辑读出阵列层上堆叠光学探测器阵列层。DBI混合键合可以支持低至1um的互联间距,这些应用可能需要使用当前或即将推出的新设备。此外,这些光学发射器市場通常需要非硅发射器材料,例如GaN,这类材料具有与硅显著不同的热膨胀系数。这可以通过DBI混合键合工艺的低热预算来实现,这与其他具有较高热预算的键合技术不同,这些技术无法满足这些市場和应用的需求。
 
MI:W2W组装以及混合键合是纯代工业务,抢夺了外包半导体封测厂商(OSAT)先进封装业务的营收。您是否看到OSAT厂商尝试在这个领域重新寻求市場定位?
 
PE:Invensas DBI混合键合的低拥有成本和高附加值,使其成为有意提高利润并扩大供应能力的OSAT厂商的理想候选技术。尤其是D2W DBI混合键合技术即将商业化,为OSAT利用其高度相关的芯片处理经验和专业知识提供了机遇。
 
關于Xperi
 
Xperi公司以及旗下全资子公司DTS、FotoNation、Invensas 及 Tessera致力于打造各种创新技术方案,为全球消费者呈现独一无二的体验。数百家全球领先的合作伙伴获得了Xperi解决方案的授权,数十亿件授权产品遍布全球,产品范围涵盖音频、广播、计算成像、计算机视觉、移动计算和通讯、存储、数据储存、3D半导体互联和封装等领域。
 
來源:據麥姆斯咨詢介紹
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