系統晶片中心2012第一次研發季報3DIC：類比及射頻設計之應用

臺灣大學系統晶片中心於2012年4月11日發表年度第一次研發季報，主題為「3DIC：類比及射頻設計之應用」，由光電所劉致為教授及電機所黃天偉教授發表相關研究成果；並邀請日月光半導體集團總經理唐和明，從業界的角度分享系統封裝(System-In-Package，SIP)技術的發展趨勢，而未來的3DIC又將如何豐富使用者的體驗。

中心主任陳良基在開幕致詞時表示，IC設計產業如同戰場一般，變動非常快，且強調可執行性，所以研究一定要考量是否可以立即運用於產業。3DIC橫跨了晶圓代工(Wafer Foundry)以及封裝測試(Assembly Packaging & Testing)，未來IC產業會產生何種變革仍屬未知，因此希望將系統晶片中心作為一個平臺，加強產學界彼此之間的互動聯繫，強化臺灣對產業變動的因應能力。

新直通矽晶穿孔模型有助提升效率，節省成本在研究成果報告中，劉致為教授以「準確的直通矽晶穿孔矽穿孔應變場模型建立及其對電路佈局的意涵(Accurate modeling of strain field of TSV and its implication on circuit layout)」為題，簡述近三年的研究成果。這套直通矽晶穿孔(Through-Silicon Via，TSV)應變場模型主要是為了提升3DIC晶片的效率，進而提升設備(Device)的速度；此外，藉由更深入了解模型的建立和其產生的結果，便可以進一步在電路佈局上有進一步改善，以此達成效率最佳化，以及避免電路設計上的錯誤。藉由更深入瞭解模型的建立與模擬結果，可以改善電路佈局，提升元件的操作速度並避免電路設計上的錯誤。

劉教授致為進一步說明，有了這套模型，廠商便不需要花大錢購買商業軟體，也能得到所要的模擬結果及數據，可節省十幾億的成本。

在場有業者詢問，這套模型通過TSV的電流更大，所造成的電流磁場是否會對人體造成影響？劉致為表示，人體持續受到地球磁場的影響，而地磁強度約為400毫高斯(mG)左右，通過TSV的電流所產生的磁場遠小於地磁強度，故對人體幾乎是沒有影響的。

然而劉教授最後致為也提到，這套模型由研究團隊花了近三年的時間才建立，當中運用許多數理、物理、化學及邏輯的概念。可知3DIC的研究設計，是一個知識門檻相當高的領域，未來學生必須讀更多的書，「以前讀三、四年，現在可能得讀七到八年。」學生必須理解更多複雜的理工知識，才有辦法進行相關研究，這將是未來電子工程學門的發展趨勢。

3DIC的CMOS製程仍有問題待解決在劉致為教授簡要陳述矽穿孔直通矽晶穿孔應變場模型的研究成果後，黃天偉教授則將重點放在CMOS製程，他以「三維積體電路及瓦特功率等級的毫米波頻段CMOS功率放大器-- 夢想或是現實(3DIC and Walt-level CMOS Pas PAs in Millimeterwave Frequency Regime -- Dream or Truth)」為題，探討3DIC產業未來的願景。他指出，IBM當時從雙載子電晶體(Bipolar)製程轉移成CMOS製程，主要是為了省電以提升伺服器效率，但放大器(PA)的散熱便成了一個亟待解決的問題。

CMOS製程的另一個問題，在於為了電壓降低的情況下能維持同樣的Power，電流勢必要增加，因此要如何將CMOS的電流增加，成為製程研發的一大挑戰。此外黃天偉也表示，過去2.5D的TSV是在矽載板內，而3DIC的TSV則在電路區，製作上技術困難度大增。

黃天偉認為未來要新製程要思考的是：如何提升元件電流讓裝置(Device)上的電流增加更多，並將使3DIC多層堆疊的功率結合器(Combiner)，其散熱片(Heat-sink)磨得更薄，以幫助功率放大器的效能更上一層樓。目前相關研究仍屬實驗性質，因為仍有散熱問題需要解決，希望未來幾年的3DIC產業可以克服這個困難。

3DIC的未來發展：更在地、更廣泛、更環保研發季報下半場，日月光集團總經理唐和明以歷史綜觀的角度，分析IC產業未來的發展趨勢。他認為未來半導體的成長將不再遵循適用於摩爾(Moore)定律，因為物理有其極限，半導體的成長勢必隨之減緩；他也發現全球IC產業的市場消長，過去的主要客戶是日本、西方世界等已開發國家，但需求已漸漸飽和。而現在中國大陸、中南美等新興市場對IC晶片的需求強勁，因此企業在經營新市場時，必須根據國情而有不同面向的思考。

此外，唐和明認為，隨著高齡化社會的來臨，老年照護將成為3DIC的新商機，由於3DIC可廣泛運用於各種產品，未來可能會出現外型像LV精品，但卻是可以做血壓、血氧檢測的手環，這些都是IC產業可以發展的新商機。

唐和明也發現消費者行為的改變，以往電腦多用於運算，且大部分是用來工作，在網際網路發展後，現在消費者使用電腦只有三成左右是為了工作，大部分是拿來娛樂、社交。「這是一個從computing轉移到entertainment，再轉移到infotainment的過程。」他表示在網際網路時代，為了處理龐大的資訊，對雲端技術的依賴將與日俱增。

而隨著環保意識興起，未來3DIC必須符合國際訂立的碳足跡標準才可銷售。唐和明舉美國零售業龍頭Wal-Mart為例，明年起販售的產品都需貼上碳足跡標籤，「未來除了與競爭者拚成本(cost)與效能(performance)外，還要拚環保。」環保越來越重要，也是IC設計業者面臨的挑戰。

物聯網時代消費者體驗至上唐和明認為，網際網路的革命(Internet revolution)大大影響IC產業的發展，其背後的概念是使用者體驗(User experience)，網路改變消費者對生活的想像，人們將更難滿足現狀，期待透過網路科技使自身的生活變得更美好。

唐和明進表示未來是一個物聯網的時代，以手機為例，將來手機用戶可以透過雲端技術，直接連線家中各項電子產品，隨時掌握家裡狀況，「未來家電產品上都會有IP address，你可以透過手機連網，控制它的開關。」他對物聯網時代作進一步說明：目前是所謂4C(Computing、Communication、Consumer Electronics & Car Electronics)系統，未來則是「NC」系統，無論是吃的、穿的、用的，幾乎所有產品都將具備電子內容，人類的生活方式將大大改變，很多事都可以透過網路解決，這也將加深人們對網路的依賴。

唐和明預見，未來手機將成為個人的生活中心(Center of life)，隨著寬頻(Broadband)和無線(Wireless)技術的發展，手機可以幫助人們做任何事情，也將帶給人們完全不同於現在的感官體驗。

未來將從「競爭」走向「競合」唐和明從這些對未來的想像發現新的商機，他認為未來是「大整合」的時代，產業之間彼此不再是零和遊戲，而是要合作發展供應鏈，因為單一廠商已無力通吃所有產品市場，必須透過產業分工，匯聚彼此優勢，才能使臺灣在這波3DIC的潮流中搶得先機。

陳良基主任也對臺灣的3DIC產業發展發表看法。他從產業價值鏈來看趨勢變化，發現代工、封裝及測試之間彼此存在競合關係。面對共同的競爭對手韓國三星，臺灣廠商應思索該如何應對。此次季報論壇恰好成為產學界意見交流的互動平臺，提供不同的思考角度，希望藉由彼此對話，找出適合臺灣3DIC產業發展的道路，掌握未來趨勢下的無限機會。（文：邱柏勝）