最終改變我們日常生活方式的轉折點可能難以預測(圖1)。例如，BlackBerry個人數字助理(PDA)的出現，由于將傳統桌面應用程序移植到可塞進口袋中的全天候移動設備，從此改變了商務通訊。蘋果(Apple)智能手機iPhone挾其創新的App Store進入市場，透過讓第三方開發可執行于手機上的各種應用程序(App)，創造出全新的產業。

同樣地，Uber和Lyft的商業模式，取代了長久以來的出租車出租業務，而像Netflix和Pandora等公司則徹底改革了為消費者提供視頻和音樂的方式和客制化。從自拍到來自全球各地的活動實時視頻，手機攝影機也讓我們觀看這世界的方式發生改變。

在IC設計市場中是否能看到類似的轉變?3D IC市場如今發展到哪里了?還必須克服哪些技術挑戰?3D IC的成功如何為半導體產業帶來新商業模式?

當代3D IC的生產

系統單芯片(SoC)設計基礎架構一直是IC產業的經典。因此，從SoC生產轉向多芯片策略，成為讓大多數公司望而生畏的一大挑戰，因為他們長期依賴且熟悉支持SoC設計流程的現有龐大基礎架構。SoC的設計和驗證流程業已建立，而且也已經被設計師使用了數十年。針對某個工藝節點，代工廠提供了一套設計規則，SoC設計人員必須嚴格遵循這些規則，以確保代工廠正確地制造SoC。電子設計自動化(EDA)公司開發自動化流程，用于協助設計人員分析SoC設計，以進行實體驗證、連接性檢查、寄生組件參數擷取，以及布局后硬件仿真等。

相較于在工藝設計套件(PDK)和自動化EDA流程中提供既有且經驗證的SoC基礎設施，目前還沒有為多芯片工藝提供類似的標準化產業安全網絡。大多數的封裝設計仍由委外組裝與測試(OSAT)公司手動組裝。除了描述預期設計規則的文本文檔案之外，封裝設計和驗證流程通常幾乎少有封裝設計附帶形式簽核要求。因此，用于封裝設計和驗證的EDA工具功能通常也更加簡單。如果少了支持和驗證的自動化設計流程協助，許多傳統的SoC設計公司應該都不愿意將3D IC市場視為可行的商業選擇吧!

正在發生哪些變化?

以早期硅中介層的設計來看，3D IC設計相對復雜、成本高且風險大，因為它們需要多級測試(晶圓、芯片、中介層、組件)，出問題的風險很高。隨著扇出晶圓級封裝(FOWLP)等封裝技術出現且日益普及，成本開始急劇下降。封裝設計和驗證過程至今仍然很復雜，但已經能獲利了。

此外，業者現在可以“混搭”現有的芯片IP到單一封裝中，而不必為特定工藝從頭開始設計(或重新設計)每個組件。這樣就有可能進一步在專用組件層傳播設計，甚至封裝設計本身。例如，如果傳統的硬IP市場以預先表征和布局區塊資料的形式加進SoC，并擴展至為特定代工工藝設計實際芯片，或甚至是直接用于較大型多芯片封裝的硅芯片，那么又會產生什么影響?

邁向成功的挑戰

挑戰之一仍然在于風險。業者對于不斷成長中的3D IC市場潛力很感興趣，但對于切入3D IC業務卻猶豫不決，因為他們并不熟悉這些業務或缺乏專業知識技術，而且幾乎不存在或很少有標準化的支持。

由于3D IC布局制造發生在“晶圓級”，因此結合光罩產生的工藝，就相當于SoC制造流程。為了確保代工廠或OSAT公司可以制造這些光罩，設計人員必須在多個組件的3D布局上執行簽核實體驗證。但直到最近，“簽核”(signoff) 3D IC驗證的流程或工具并不存在。

為了提高市場成功的可能性，設計人員還需要一些方法來驗證3D連接性。驗證可確保所有組件按預期連接，并確保訊號時序和功率符合設計規范。現有的商業連接驗證解決方案無法滿足3D IC對于連接能力的要求。

可測試設計(DFT)策略是另一個要考慮的因素。如果組裝好的封裝出現故障形，您如何追溯到導致故障的根本原因?設計人員需要能夠從物理和邏輯層面全方位檢查連接的工具和流程，以便找出并分析來源問題。

新的封裝驗證技術

針對多芯片工藝，我們目前看到代工廠和OSAT公司開發并提供了3D IC封裝設計套件(PDK)組件。此外，還有組裝級設計套件(ADK)，一開始通常用于簽核實體驗證和連接驗證(圖2)。實體驗證可經由設計規則檢查(DRC)確保封裝的所有組件都以滿足所有制造要求的方式布置。連接性驗證至少包括布局與原理圖(LVS)檢查、寄生參數擷取以及布局后硬件仿真。隨著3D IC市場擴展，還可以為ADK添加額外的驗證功能，例如熱和/或壓力簽核解決方案等。

封裝設計人員還必須為其設計工具提供經過驗證的技術文件，就像當今IC領域中的布局與布線(P&R)和客制設計工具一樣。這些檔案的關鍵在于分層映像。封裝設計中的每個元素都必須映像到正確分配的制造層，以確保DRC和電路驗證技術正常運作。

這些ADK的存在還使得EDA公司能夠開發工具和自動化工藝流程，以便協助封裝設計人員更快速、更準確地驗證高密度的先進封裝。為了在整個產業創造真正的價值，所有工藝都必須獨立于進行組裝的任何特定設計工具，并且必須由封裝組裝或OSAT公司進行驗證。

封裝市場帶來新商機

除了支持自動化設計流程，ADK還能滿足更大的目標——為3D IC打造全新市場模式的潛在商機。

在SoC市場中，代工廠和第三方為SoC提供預先驗證和預先表征的IP。SoC設計人員根據設計要求將這些IP整合于其設計中，以及100%的信心IP將按照SoC的規定工作。

設計多芯片封裝的公司目前無法獲得類似的預驗證組件——他們必須在內部開發每一個組件。在組裝封裝組件時，他們無法取得任何幫助或性能的擔保，而且也必須自行承擔在工藝的任何階段發生錯誤的風險。

如果我們將多芯片組裝中的每個組件視為具有一組專用功能的“小芯片”(chiplet)，那么就可以為這些小芯片開啟更多來源的可能性。然而，最大的問題之一是如何彌合IC設計和封裝設計流程之間的當前差距。如果我們將單個SoC中原有的組件分解為單個磊晶，將它結合至3D IC封裝(圖3)中，該3D IC封裝中的組件可能由不同的公司設計，我們如何確保最終的封裝設計能正常運作?

ADK能夠排除大部份的風險，從而推動多芯片封裝。事實上，3D IC組件的概念已經以現成可用的動態隨機存取內存(DRAM)形式，存在一段時間了。封裝設計人員目前可以從專門設計DRAM的設計公司購買到最符合其需求的DRAM。同樣地，憑借著對于ADK的信心，封裝設計公司理論上也可以將所有的小芯片設計外包給具有特定功能專業的第三方公司。另一方面，這又使得封裝設計人員能夠更專注于更高層次的封裝設計，直接將具有已知和可信賴功能的芯片整合到設計中。

透過ADK，封裝設計人員還可以確認所有芯片都按其制造商認可的方式整合于封裝環境，并提供實現市場成功所需的預期性能。為組件和封裝設計人員提供這一支持力度可望降低故障的風險，有助于增加2.5/3D封裝的使用，并促進產業的發展。這種外包業務模式大致上符合汽車、航天、醫療和智能城市等產業的系統公司目前已在發展的方向。他們并不會以單一封裝銷售芯片，而是以解決方案的形式銷售，其中可能包括來自不同供應來源整合至單一組件的許多芯片。

迎向未來的挑戰

盡管如此，當我們朝著封裝產業的新模式邁進時，還有一些問題需要思考。最值得注意的是，芯片設計師或制造商如何確保其組件在封裝中的性能和可靠性?相較于針對特定代工工藝的IP可在代工廠的協助下進行驗證，芯片則必須在獨立環境下進行驗證，以確保在選擇適于加進封裝中的芯片時，也能夠準確地考慮到它對性能和功率的電氣影響。然而，一旦供應商成功地設計和制造了芯片，他們就會根據已知合格芯片(KGD)直接進行測試和銷售。

而在此等式的另一邊是如何驗證由KGD組成的組裝實際上可在完全組裝的環境中運作。這是在DFT領域中需要采用新方法之處。我們知道如何為SoC設計測試，但如何在封裝級進行設計測試，甚至在芯片級詳細進行檢查?我們可能需要芯片供應商之間達成某種程度的協議，其中包括基于特定標準的測試。

雖然還有工作尚待完成，但我們似乎正處于3D IC設計領域中真正令人興奮位置。想想看，以一支專注于特定機頂盒(STB)設計的芯片設計團隊為例，如果完成的芯片無法與其他STB中使用的對手芯片競爭，那么他們投入的時間、精力和資源可說是浪費掉了。相反地，如果他們專注于設計可以整合到許多信息娛樂系統中的芯片(圖4)，就能明顯地開辟更多潛在市場!現在，他們還有機會開辟選擇性的利基市場，不僅能降低風險、擴大整體市場，還可讓他們更有效率地競爭。

在3D IC領域中發生的變化可能只是IC產業重大轉折點的開始。透過打造讓IC設計公司能夠支持新業務模式的工具和工藝，提供經驗證的芯片組件以包含于3D IC封裝中，為半導體產業開啟了新市場策略的可能性，從而推動3D IC市場進一步創新與擴展。