【国防技术】前沿颠覆性技术之三维集成电路技术

三维集成电路（3D IC）也被称为立体集成电路、三维芯片、System in Package（SiP）或Chip Stack MCM，是一种“两层或更多层有源电子组件在垂直和水平两个方向上实现集成并构成单一电路”的芯片。在摩尔定律时代，半导体集成电路经过几十年的快速发展，开始受到元器件尺寸、功能增强、成本效益等方面的严重制约，为突破集成电路发展的现有的物理局限和材料局限，三维集成电路技术应运而生。目前，世界主要军事强国都非常重视三维集成电路技术的发展，纷纷制定和实施了一系列相关发展计划，并在穿透硅通孔(TSV)、层减薄、晶圆键合等技术方面取得了一定成果，加快了三维集成电路技术在军民领域工程化应用进程。

一、发展现状

进入深亚微米时代后，二维（2D）芯片内部器件间的互连线变得越来越复杂，仅通过减小晶体管尺寸和缩短互连线长度等传统方式进一步提高电路集成度的难度越来越大，而三维集成电路的出现，有助于突破现有集成电路在物理和材料方面的局限。

三维集成电路是一种系统级集成结构，在这一结构中，多层平面器件被堆叠起来，并经由穿透硅通孔在Z轴方向连接起来（见图1）。为实现这样的叠层结构，目前正在向穿透硅通孔技术、层减薄技术、对准和键合技术三个方面进行突破。

图1全异质工艺的三维集成电路

从三维集成电路封装的发展历程来看，随着穿透硅通孔的晶圆封装技术向着高量产方面的不断发展，穿透硅通孔技术已经逐渐成为三维集成电路互连的一种必然解决方案。层减薄技术则是三维集成电路封装的关键突破口，在三维集成电路的堆叠或3D封装中，无论堆叠形式和连线方式如何改变，在封装整体厚度不变甚至有所降低的趋势下，为了保证通孔形成的孔径和厚度比例在一个合理的范围内，采用3D封装的晶片必须要进行减薄。目前主流解决方案是采用东京精密公司所率先倡导的一体机思路，将硅片的磨削、抛光、保护膜去除、划片膜粘贴等工序集合在一台设备内。在三维集成电路封装互连方面，晶圆键合已经成为解决晶圆叠层3D封装互连问题的首选方案。

美国、日本、韩国、欧洲和台湾地区在三维集成电路技术方面发展较快，并且在与三维集成电路密切相关的穿透硅通孔封装技术、层减薄技术、晶圆键合技术方面取得突破，为推动三维集成电路技术快速发展和工程化应用奠定了基础。

美国拥有世界领先的三维集成电路技术研制水平,近十年以来，DARPA通过基金项目连续资助PTC、雷声等公司联合研制基于紧凑垂直互连的三维微系统封装集成技术，投资了三维微电子射频系统和分裂制造技术等与三维集成电路相关的项目，2014年还开始着手研究如何更有效地使用拥挤的电磁频谱、如何使摩尔定律得以延续等问题。

亚洲的日韩和台湾地区在三维集成电路技术方面处于世界前列，在相关的穿透硅通孔、层减薄等技术领域拥有雄厚的基础和实用化潜力，具备由民用向军用快速迁移的能力，例如索尼公司2013年推出防水手机XperiaZ，采用三维集成电路制成影像传感器芯片；韩国三星电子已面向存储器生产开发出“垂直栅极”三维技术；台湾2008年成立的先进堆栈系统与应用研发联盟，已建成全球第一条300毫米晶圆三维集成电路演示生产线，专用于三维集成电路研发。

欧洲国家在异质系统整合、芯片集成、三维封装和穿透硅通孔技术等方面开展了有针对性的研究，并在柔性超薄芯片三维封装、三维集成电路微冷却技术等方面达到世界先进水平，如比利时大学校际微电子中心研发出了厚度不足60微米的柔性超薄芯片三维封装。

二、发展趋势

三维集成电路技术和制造工艺的标准化、规范化进程将提速。一些企业和研究机构正在积极联合创建与三维集成电路相关的标准联盟，解决当前业界三维集成电路技术和工艺尚未达成一致的问题，并试图在未来的三维芯片竞争中占据标准与专利优势。

国际半导体设备材料产业协会（SEMI）专门成立了4个致力于三维集成电路标准制定的工作小组。其中北美3DS-IC标准委员会已经制定了一系列相关标准。

台湾地区2011年成立了由来自日月光集团、京元电子和工研院专家组成的3DS-IC标准委员会，旨在推动台湾地区三维集成电路的标准化工作。该委员会还与北美3DS-IC标准委员会合作，参与相关标准的制定。

其他的标准化联合组织还包括：日本的“梦芯片计划”、欧洲的e-Cubes、IIAP-3D、美国和欧洲半导体设备供应商组成的EMC-3D联盟等。

图2  2.5D与3D集成电路的对比示意图

三维集成电路技术继续向细微化方向发展。近年来，随着三维集成电路技术成熟度的不断提高，与三维集成电路发展密切相关的穿透硅通孔、层减薄、晶圆键合等技术呈现出逐渐向细微化方向发展的态势。

国际半导体技术路线图预测，穿透硅通孔技术未来将在垂直方向堆叠层数、硅晶圆片薄度、硅穿孔直径、引脚间距等方面继续向细微化方向发展。在垂直方向堆叠层数上将由2007年的3～7层裸晶片堆栈，演进至2015年的5～14层芯片的堆叠。为使堆叠14层芯片的封装仍能符合封装总厚度小于1毫米的要求，硅晶圆片减薄将由2007年的20～50微米减薄至2015年的8微米；硅穿孔的直径将由2007年的4微米缩小至2015年的1.6微米；引脚间距将由2007年的10微米缩小至2015年的3.3微米。

同时，三维集成电路细分衍生出的工艺研发、设计测试、多尺寸穿孔、静电保护等技术也将成为未来发展重点。

三、应用前景

三维集成电路体积小、集成度高、功耗和成本低、有利于实现功能多样化，在航空航天、机器人、仪器仪表等领域有广阔应用前景。

三维集成电路在军事航空航天领域的主要应用包括微卫星、微型飞行器、航空电子设备等。目前，美国霍尼韦尔公司与特兹伦（Tezzaron）半导体公司已联合设计出高效三维抗辐射集成电路，用于卫星、载人飞船和高空飞机等航空航天装备。

三维集成电路技术在信息仪器领域可应用于数据存储系统。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的数据存储系统，将显著降低存储系统的尺寸、重量、存取等待时间、失效率和成本，且存储数据量大，远远高于目前的磁存储和光存储。英特尔实验室与台湾工研院合作开发出具有低功耗特性的内存技术，未来将广泛用于平板电脑、智能手机等单兵便携式装备，用于军方的百万兆级超大云数据中心。

三维集成电路技术的发展可促进微型军用机器人的研制。美国波士顿动力公司和桑迪亚国家实验室联合研发的“沙蚤”微型跳跃机器人，采用了三维集成电路技术，其重量仅为4.99千克，旨在为地面部队提供跳跃1层楼高的房顶并在隐蔽情况下进入建筑物和营区的能力。

三维集成电路技术在军事生物医学上也拥有很好的应用前景。三维封装技术在解决生物医学微系统传感器芯片的应用方面发挥着越来越关键的作用。此外，部分研究机构已开发出对细胞进行操作的微机械，如微对象的操作台、微夹钳等，未来三维集成电路技术将在军用生物医学领域发挥重要作用。

大柳树防务｜dlswinds