TSV 3D IC 技術雖早於 2002 年由 IBM 所提出,然而,在前後段 IC 製造技術水準皆尚未成熟情況下,TSV 3D IC 技術發展速度可說是相當緩慢,DIGITIMES Research 分析師柴煥欣分析,直至 2007 年東芝(Toshiba)將鏡頭與 CMOS Image Sensor 以 TSV 3D IC 技術加以堆疊推出體積更小的鏡頭模組後,才正式揭開 TSV 3D IC 實用化的序幕。

3D IC是把許多塊分散的DRAM像豆腐乾那樣,一層層堆疊起來,之後再和CPU黏在一起,變成在平板電腦裡只會看到一顆相當小的尺寸,適合輕巧追求速度的智慧型手機和平板電腦使用,不過這種高階封裝進入門檻極高,封測廠需使用TSV直通矽晶穿孔(Through-Silicon Via)技術來使晶片或晶圓進行垂直堆疊。

全球主要晶片製造商製程技術先後跨入奈米級製程後,各廠商亦警覺到除微縮製程技術將面臨物理極限的挑戰外,研發時間與研發成本亦將隨製程技術的進步而上 揚,因此,包括 IBM、三星電子(Samsung Electronics)、台積電(TSMC)、英特爾(Intel)、爾必達(Elpida)等晶片製造商皆先後投入 TSV 3D IC 技術研發。未來全球半導體產業中,同時具備3D IC技術能量,並建構完整生態系統,提供客製化與整合性服務的廠商,除台積電、聯電及三星外,TI、Intel、Qualcomm等也有實力。

主要投入 TSV 3D IC 半導體大廠除面對晶圓薄型化、晶片堆疊、散熱處理等相關技術層面的問題外,隨 TSV 3D IC 技術持續演進並逐漸導入實際製造過程中,前段與後段 IC 製程皆出現更多隱藏於製造細節上的問題。加上就整體產業鏈亦存在從材料、設計,乃至生產程序都尚未訂出共通標準,而晶圓代工業者與封裝測試業者亦無法於製 程上成功銜接與匯整,都將是造成延誤 TSV 3D IC 技術發展與市場快速起飛重要原因。

2011 年 TSV 3D IC 是以同質整合的高容量 DRAM 產品為主,至 2014年,除將以多顆 DRAM 堆疊外,尚會整合一顆中央處理器或應用處理器的異質整合產品。預估要至 2016 年,才有機會達到將 DRAM、RF、NAND Flash、CPU 等各種不同的半導體元件以 TSV 3D IC 技術整合於同 1 顆 IC 之中異質整合水準。至 2011 年第 4 季,三星與爾必達分別推出採 TSV 3D IC 同質整合技術高容量 DRAM 模組產品,並已進入送樣階段,台積電則以 28 奈米製程採半導體中介層(Interposer)2.5D 技術為賽靈思(Xilinx)製作出新一代現場可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array;FBGA)產品。

台積電爭奪蘋果下一代處理器A6落敗,真正理由,是3D IC封裝技術「技不如人」,三星,正是該技術的世界領導者,正在晶圓代工領域攻城略地強敵壓境,張忠謀最近悍然宣布,台積電進軍後段封裝領域,要從頭做到尾,對台灣封測業投下一顆震撼彈!

負責「COWOS」製程研發的台積電資深處長余振華回應「以後所有的高階產品都會用到,市場很大。」封測業的毛利率普遍在二○%以下,「台積電要淨利三○到四○%的產品才會做,我們沒有問題。」台積電的最新版本設計指引「reference flow」,已列入3D IC和矽中介層製程給客戶選用,預計會有不少二八奈米製程的產品使用,將自一三年陸續上市。業界並透露,未來「COWOS」運作成熟後,後段製程將交給台積電旗下專精晶圓級封裝技術的精材負責。「半導體分工已經有一段時間,現在看來是要出現某個程度的整合了。」

Yu在一場3D技術研討會上指出,使用單一晶圓廠的策略,將可避免因搬運過程而導致薄形晶圓損壞,這對3D IC來說是必要的,而且能避免事後追溯究竟誰該為晶圓破損負責的情況。台積電也認為能以低於封裝廠的固定設備成本並消除一些不必要的步驟,這也更有助於降低製造成本。Yu表示,「這種方案從提出至今才不過2~ 3季而已,這是因為在和數家客戶合作後,我們發現可靠性問題正在惡化,風險性不斷提高,而且變得更加複雜,封測業已經跟不上晶圓代工的腳步了。」

蘋果A6訂單輸給三星的理由是「台積電的製程不穩。,表示這個「不穩」,指的問題應該不是一般認知的前段邏輯電路製程,而出在後段的3D IC封裝部分。」這對晶圓代工產業而言, 不只是再次肯定3D IC後段封裝測試的重要性,也意味著新一輪的賽局即將展開,將影響3D IC晶圓代工產業與封測產業既有的競合關係與聯盟板塊,促使晶圓代工、封裝、測試產業強化自身價值的差異化。

現在看到的輕薄型筆電多是將記憶體直接附加在主機板上,但這種作法會受限,當日後當裝置的記憶體需求提高時,就是一個TSV的潛在市場。全球前五大封測廠一定都有投入3D IC和TSV技術的開發。日月光已參與3D IC領域中最重要的一個標準「立體記憶晶片介面標準規範(Wide I/O)」的訂定,這也是非常大的里程碑,代表日月光在後段封測產業仍具主導地位。

3D IC 鎖定的驅動力與應用市場,第一波將以滿足小型化需求為主要驅動力,影像感測器(CMOS Image Sensor; CIS)及MEMS應用市場已於2007~2008 年間逐漸開啟。3D IC 第二波用於手機的主打為邏輯和記憶體的堆疊,主要的驅動力來自於4G 通訊時代來臨,手機影音多媒體功能及傳輸的需求會導致應用處理器或基頻處理器和記憶體之間的頻寬不足,記憶體大廠Elpida 也認為,下一代Mobile DRAM 需要高達12.8GB/s 的頻寬才可支援4G 時代手機傳輸功能的需求,而使用Mobile Wide IO DRAM 加上TSV 技術,才可做到如此高的頻寬,因此手機的邏輯和記憶體堆疊被公認是3D IC最大的應用市場。

IC設計業龍頭有: 聯發科,瑞昱,晨星,原相,聯陽,聯詠,威盛
晶圓代工業王者: 台積電 ,聯電
封裝測試界霸主:日月光,矽品,京元電,力成
而當3D- IC 即將改變將來的晶片進步模式,自然會完全的衝擊以上的這些公司。台積電相對於三星的布局版圖中,就差沒有DRAM產品線,在全球DRAM產業一片哀嚎情勢下,台積電是否會以相對低廉代價入主台灣DRAM業者值得注意。

過去的勝利方程式--台積電靠所短晶圓電路間距領先世界,聯發科靠SOC合併晶片降低成本,日月光靠覆晶封裝提升附加價值。未來的競爭態勢--當台積電縮短晶圓間距不在是唯一的優勢,聯發科的合併IC技術不在是最強悍的兢爭門檻,日月光可以做更多服務來創造附加價值。一旦3D-IC真正的投入市場,由於過往遇到的瓶頸,將會從新的維度開始發展,而產生一段效能爆發的成長。

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20120322

FPGA大廠美商阿爾特拉(Altera)與台積電(宣布,採用台積電CoWoS生產技術共同開發全球首顆能夠整合多元芯片技術的三維集成電路(Heterogeneous 3DIC)測試芯片。台積電(2330)與美商阿爾特拉(Altera)宣布共同開發3D IC芯片,以台積電獨特的CoWoS平台技術,跨足高階封裝市場,宣告高階封裝市場2013年將重新洗牌,並激化中低階封測產品戰局。

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隨著半導體製程微縮越來越困難,晶片開發成本日益高昂,IC設計業這幾年早已不付往年的環境,然而IC設計兩大龍頭聯發科與晨星的合併案促使世界第四的無晶圓廠晶片設計公司的誕生,其實背後還有更多值得探討的因素與時空背景

第一個是開發成本不斷的上揚,以目前的28奈米世代來說,試做原型片的光罩費用,很可能就會到達台幣數億以上。在這樣的環境下,
經濟規模已經是競爭的前提,小型的IC設計公司資本額通常都在十億台幣左右,根本沒有這麼龐大的資金去開發。

第二的面對的是,各種關鍵技術的壟斷,過去以PC個人電腦為電子產品主流的年代市場就因為Wintel聯盟所造成的壟斷效應,所以這幾年IC設計業的成長,都不是來自於傳統的PC產業,而是以各種通訊產品的應用為主。

隨著人類使用頻寬的能力逐漸逼近物理極限,4G 手機之後基本上不再會有太大的進步與演進。而最可怕的是,國際標準組織往往都是由國外大廠所把持,其標準的制定,通常都一些專利上的利害關係。導致以目前4G的標準來說,高通(Qualcomm),博通(Broadcom),這世界前兩大無晶圓IC廠幾乎掌握了所有4G無線通訊的關鍵技術。台灣想要生產相關類似的產品,幾乎無可避免的必需要給予這些大廠授權費。

聯發科與高通(Qualcomm)在2009/11/27共同宣布,雙方就CDMA及WCDMA達成專利協議(arrangement),聯發科因未向高通取得授權,所以不需支付專利授權金等任何費用。想要用聯發科3G晶片的手機廠,聯發科需確定其先付給高通約五美元權利金。聯發科與晨星間的競爭,坐收漁翁之利的,不會是台灣人,「養大批團隊,做出2.75G手機晶片,殺到最後一顆只剩二美元(約六十新台幣不到),這樣的競爭對大、小M都不好。」

購買晨星對聯發科3G手機晶片開發的加分其實有限,晨星最大強項電視晶片橫掃千軍,握有逾六成市占率,聯發科卻僅有一五%。「聯發科在4G的勝算,絕對比3G大。」高通在4G領域的專利還很分散(?),聯發科技術長待在高通超過二十年的周漁君聯發科用十.三億元買下瑞典數位訊號處理器(DSP)大廠Coresonic AB,「這個技術,是跨進4G的必要門票,買下這家DSP廠,幾乎等同宣示聯發科要進入4G市場。」收購晨星後,逾六成大陸手機晶片在手,可望終止殺價泥巴戰。電視晶片超過七五%的市占率,大陸手機晶片超過六○%市占率,新聯發科的經濟規模更大,成本管控效率也會更好。

第三的面對的是,中國大陸IC設計公司的崛起,海思,展訊這幾年的挾其人力成本優勢,以及中國市場規避專利的方式。當產品只在中國市場販賣時,
由於專利是屬地主義,使用國外已經核准的專利只要銷售國並未批準,在銷售國生產販賣,就不違法。換句話說,只在中國內銷的商品,像是白牌手機,其晶片可以肆無忌憚地使用國外專利,然而,需要外銷的台灣IC設計廠卻做不到。硬是以毛利 30 -40%的方式低價搶單,遠遠低於台灣本土所要求的40 - 50%毛利。在高階產品專利與技術為國外大廠所壟斷的情況,台灣擅長的低價搶攻市場,也面臨著來自大陸低成本的,嚴重的衝擊與考驗。

想要多樣化自身的產品線,以便將來可以異質整合。異質併購這幾年不斷的出現。身為全球第二大的博通(Broadcom) 光是2011就併購了五家的公司(網路供應商Provigent ,軟體商SC square ,聯網家庭晶片廠Gigle network,4G網通商Beceem,基地台晶片商Femtocell等等)IC設計兩大龍頭聯發科與晨星的合併案與其在各方面重疊的產品線上互相砍價廝殺,不如攜手合作共同面對這樣的嚴峻考驗。小型廠面對的存活條件絕對會更嚴峻。
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