【導讀】3D堆疊技術憑借更高的性能、更低的功耗和更小的占位面積的優勢，正成為高端應用和成像應用的新標準。《2.5D/3D硅通孔（TSV）和晶圓級堆疊技術及市場-2019版》報告作者、Yole先進封裝技術和市場分析師Mario Ibrahim，近日有幸采訪了Xperi公司3D互聯和封裝研發副總裁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年按市場細分的堆疊技術營收
數據來源：《2.5D/3D硅通孔（TSV）和晶圓級堆疊技術及市場-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）中取代了硅通孔（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、蘋果和華為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，為混合鍵合工藝的開發和應用做出了貢獻，并為主要代工廠和集成器件制造商（IDM）提供DBI混合鍵合技術許可。
到2023年，80%的CIS制造將基于3D堆疊技術。混合堆疊CIS的市場份額將相應增長，預計2017~2023年期間的復合年增長率（CAGR）將超過43%。
消費類市場（主要是CIS應用），是2018年堆疊封裝營收的最大貢獻者，占據了65%以上的市場份額。盡管如此，高性能計算（HPC）是推動3D封裝技術創新的主要應用，到2023年期間，該應用增長速度最快，市場份額預計將從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片上系統等領域看到了混合鍵合技術的進一步應用。
Mario Ibrahim（以下簡稱MI）：作為一家技術開發和許可公司，您能否簡要介紹一下Xperi及其商業模式？Xperi及其子公司展示了悠久的工藝開發歷史，包括一些最早的使能型技術，如Shellcase、ZiBond和DBI技術。請您介紹一下Xperi即將商業化的新解決方案。你們是否在繼續開發新的工藝？你們在和研究機構合作嗎？
Paul Enquist（以下簡稱PE）：Xperi及其子公司（DTS、FotoNation、Invensas和Tessera等）致力于打造創新的技術解決方案，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百家全球領先的合作伙伴，并已出貨數十億量級的產品，包括優質音頻、汽車、廣播、計算成像、計算機視覺、移動計算和通信、內存、數據存儲以及3D半導體互聯和封裝等應用領域。關于2.5D/3D技術解決方案，Xperi專注于Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術的開發和商業化，適用于各種半導體應用。我們和從材料供應商和設備供應商，到半導體制造商和代工廠，以及優秀研究機構（如Fraunhofer IZM-ASSID）等整個供應鏈展開合作。
采用Xperi公司DBI技術的3D堆疊DRAM
MI：2.5D和3D堆疊技術被認為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：對于半導體封裝行業來說，這是一段非常激動人心的時期。隨著摩爾定律的放緩，通過縮小工藝節點以改善性能、功能、功耗和成本的歷史規律大致走向盡頭，業界越來越關注2.5D/3D堆疊和集成技術以滿足市場需求。Invensas 2.5D和3D集成技術使半導體行業超越了摩爾定律。現在，通過Invensas ZiBond和DBI堆疊技術在背照式（BSI）圖像傳感器中的應用，已經可以看出這種轉變。最近，這些技術已經在堆疊BSI圖像傳感器中實現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集成。我們相信，我們堆疊技術基本的成本和性能優勢，將廣泛傳遞至許多其他應用。例如，3D NAND和DRAM內存市場已準備好在不久的將來采用DBI混合鍵合技術。
MI：Xperi以授權ZiBond和DBI工藝而聞名，Xperi的主要細分市場和應用是什么？
PE：Xperi專注于進一步開發和商業化Invensas ZiBond直接鍵合和DBI混合鍵合技術，用于各種半導體應用，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體器件，從一開始就以3D思維重新設計，而不是簡單地堆疊傳統的2D架構。
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用于在硅處理晶圓或在具有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并節省工藝成本。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，因為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宣布與三星達成了新的專利許可協議。Yole預計在基于DRAM的3D堆疊存儲器中將使用混合鍵合技術。這是否會為混合鍵合技術在高帶寬存儲（HBM）和3D堆疊DRAM市場打開大門？
PE：我們非常高興與三星達成協議，并期待在未來幾年實現互利關系。
關于在HBM和3D堆疊DRAM中使用Invensas DBI混合鍵合，我們認為這是一種出色的解決方案，特別是在D2W配置中，因為它可以實現更低的電寄生效應，更低的熱阻抗，在JEDEC（電子器件工程聯合委員會）高度限制內實現更多堆疊的芯片，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行，并且不需要底部填充，這是相比替代鍵合方案的顯著優勢。我們正積極與客戶合作，展示這些優勢，并期待近、中期的商業化產品。
我們還將3D NAND視為W2W DBI混合鍵合的重要機遇。微米級DBI互聯可以支持將I/O和存儲器單元構建在單獨的晶圓上實現獨立優化的工藝節點，然后堆疊，從而實現顯著的性能、密度和成本優勢。這是我們具有近、中期商業化潛力的另一個重要業務。
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年底發布了其Xtacking技術（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？會很快商業化嗎？
PE：Invensas DBI技術兼容DRAM和NAND晶圓。Invensas DBI鍵合工藝的熱預算可以限制在150℃，這為廣泛的應用打開了大門。
就中國而言，“中國制造2025”計劃正在推動中國對先進半導體技術的需求。因此，我們認為即將興起的中國半導體制造商和代工廠，代表了ZiBond和DBI等3D集成技術的重要機遇。我們正在這個快速增長的市場與各類廠商合作，期待很快將有產品商業化。
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：與其他技術相比，縮放互聯間距是DBI技術的一個基本優勢。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苛的要求，但行業標準的亞微米特征尺寸“大馬士革”（Damascene）工藝和潔凈室環境，已被用于多代CMOS工藝節點后端工藝的多級互聯堆疊，已被證明能夠滿足這些技術的要求，已經出貨數十億顆的BSI圖像傳感器便是有力證明。
MI：工藝改進的下一步是什么？
PE：我們不斷參與自己內部和客戶的工藝改進，以滿足特定應用中出現的特定需求。過去幾年的一個重點領域是D2W DBI混合鍵合，我們認為這對于DRAM和異構邏輯器件和存儲器集成應用非常重要。我們的研究重點是優化切割、清潔和高通量芯片鍵合，已經取得了顯著進展。我們對這種特定方案的前景及其對半導體行業的影響感到非常興奮。
MI：由于更小的特征尺寸，W2W對準精度要求更高。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：目前量產的晶圓鍵合設備能夠達到+/- 250nm的對準精度，3 sigma，并且在HVM中支持3.7um間距DBI混合鍵合。設備供應商表示，他們的路線圖中有100nm甚至50nm，3 sigma對準能力，我們很期待到時利用這種性能。
MI：高端細分領域的先進封裝正變得多樣化，包括各種采用或不采用TSV的先進封裝技術，其中包括英特爾的Foveros和EMIB、三星的RDL技術、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。您是否認為它們是現有TSV和W2W技術的真正挑戰者？Xperi如何看待這些技術？Xperi會支持這些技術嗎？
PE：我們預計會有各種各樣的封裝技術可供選擇，因為市場和應用需求變化很大。現實情況是，行業需要一種包含各種封裝和互聯解決方案的工具集，可以從中選擇以解決市場不斷變化的需求。雖然，隨著應用的成熟，可能會對這些解決方案進行一些整合，但我們預計各種封裝和互聯解決方案將在未來幾年共存。需要注意的是，這些技術中的一些是互補關系，而不是競爭關系。例如，DBI混合鍵合是一種多功能互聯解決方案，可與各種2.5D和3D封裝組裝技術結合使用。
MI：Yole認為，隨著臺積電作為代工廠，3D SoC技術將在2019年進入市場。混合鍵合作為所使用的互聯技術處于有利位置。你們的技術是否適用于邏輯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，都適用于邏輯堆疊應用中的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。DBI混合鍵合也已經可以用于實現這種類型的集成。我們目前重點關注的3D堆疊DRAM的D2W研究，實際上與3D SoC直接相關。
DBI混合鍵合為3D SoC提供的令人興奮的功能，是能夠以與芯片內互聯間距相媲美的間距，連接堆疊中的每個芯片。這可以消除I/O接口，實現芯片間與芯片內互聯相當的芯片級互聯。這對功耗、占位面積和金屬層減少具有積極意義。實現這種新設計方案的一個挑戰是改變設計過程中的2D思維。以3D堆疊結構設計器件是一種架構模式的轉變，利用DBI混合鍵合可以實現很多3D SoC優勢。
MI：顯示和增強現實/虛擬現實/混合現實（AR/VR/MR）市場需要高互聯密度來連接顯示器及其驅動，混合鍵合技術是否與這些市場和應用兼容？
PE：Invensas DBI混合鍵合也非常適合顯示和AR/VR/MR市場。這些市場的常見應用是在邏輯驅動陣列層上堆疊光學發射器陣列層，這類似于在圖像傳感器應用的邏輯讀出陣列層上堆疊光學探測器陣列層。DBI混合鍵合可以支持低至1um的互聯間距，這些應用可能需要使用當前或即將推出的新設備。此外，這些光學發射器市場通常需要非硅發射器材料，例如GaN，這類材料具有與硅顯著不同的熱膨脹系數。這可以通過DBI混合鍵合工藝的低熱預算來實現，這與其他具有較高熱預算的鍵合技術不同，這些技術無法滿足這些市場和應用的需求。
MI：W2W組裝以及混合鍵合是純代工業務，搶奪了外包半導體封測廠商（OSAT）先進封裝業務的營收。您是否看到OSAT廠商嘗試在這個領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能力的OSAT廠商的理想候選技術。尤其是D2W DBI混合鍵合技術即將商業化，為OSAT利用其高度相關的芯片處理經驗和專業知識提供了機遇。
關于Xperi
Xperi公司以及旗下全資子公司DTS、FotoNation、Invensas 及 Tessera致力于打造各種創新技術方案，為全球消費者呈現獨一無二的體驗。數百家全球領先的合作伙伴獲得了Xperi解決方案的授權，數十億件授權產品遍布全球，產品范圍涵蓋音頻、廣播、計算成像、計算機視覺、移動計算和通訊、存儲、數據儲存、3D半導體互聯和封裝等領域。
來源：據麥姆斯咨詢介紹
