异质整合技术让芯片功能更强大

2018-07-18 15:34:05 来源:经济日报
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资讯爆炸的速度非常惊人,2015年Twitter每分钟有10万条讯息,到2018年时,已经暴增到50万条。Youtube上面的每分钟浏览量,2015年为130万,2018年已来到430万。


短短三年,三、四倍以上的资讯暴增量,说明资讯的装置或载体必须大幅跟上,否则势必无法满足由下而上的需求成长。


今年是集成电路(IC)发明60周年,过去60年来,装载着IC的电脑、笔电、手机与网路,让资讯运算能力大幅提升,也大大改变了人类的生活模式。人类生活模式的改变,特别是沟通与接收讯息方式,又进一步迫使IC运算能力必须相对提升。


集成电路的发展速度飞快,20多年前,一颗IC的尺寸是1微米,几乎是现今的100倍,储存容量相差达万倍以上。过去,一台电脑几乎要一个房间才能容纳得下,如今,一支小小手机上的芯片功能就已超越过去电脑的运算能力。


虽然每隔1~1.5年,半导体芯片功能可强大两倍的摩尔定律,在未来十年内仍然有效,不过,也有很多人担心尽头即将到来。当传统硅芯片透过曝光、显影等制程技术而来到极限时,下一步,人类该如何让半导体芯片功能继续强大呢?


透过异质整合技术的非传统芯片,成了市场开始思考的解决出路。异质整合,指的是将不同芯片透过封装或其他技术放在一起,使芯片功能更强大。例如,过去存储器与中央处理器的芯片是分开的,如今,两者整合已成为趋势。不仅如此,包括把传感器与非硅材如LED或通讯芯片等结合在一起,也是现在半导体产业的热门方向。
早在十年前,工研院就已经投入相关领域的研发,包括3D IC、晶圆级封装技术、硅光子技术(Silicon Phonotics)、微发光二极体(Micro LED)等,都是半导体异质整合的应用案例。

 

简单来说,异质整合技术是希望将各种不同功能的IC芯片,借由封装技术或半导体制程,再整合至另外一个硅晶圆、玻璃或其他半导体材料上面。


一般说来,异质整合具备两大优势:第一,在进行IC设计时,不需要把所有功能设计在同一个芯片上,可以提高设计开发的效率;第二,突破硅的物理限制,更能将硅应用到各种不同领域。


工研院目前正在进行中的硅光子计划,便属于典型异质整合例子。由于硅不适合处理光讯号,所以光纤通讯里面有很多不是使用硅的半导体,而是砷化镓等材料,这导致硅芯片必须再串连、转换出去,才能与光纤网路桥接,消耗的电能与运算容量自不在话下。


硅光子计划就是想办法让本来在砷化镓上面做的东西,能够直接在硅的平台上整合,最后可实现用电来控制光,如此就能降低光纤通讯半导体的制作成本、加快设计速度。


很明显的,异质整合将是下一波半导体发展的关键技术,包括美国、日本、中国大陆等都相继投入此领域。
过去,台湾半导体产业具备两大优势,一是上下游供应链完整,二是半导体人才众多。然而,面对传统芯片的制程极限,台湾业者必须力求创新突破,才能持续在未来半导体市场上保有竞争优势。


特别是人工智能、自动驾驶、5G等新兴科技正驱动资讯处理量持续成长,台湾半导体产业唯有掌握下世代半导体异质整合新技术,才能让产业成功转型升级并再创高峰。

 
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