三維集成電路（3D IC）也被稱為立體集成電路,、三維芯片、System in Package（SiP）或Chip Stack MCM,，是一種“兩層或更多層有源電子組件在垂直和水平兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)集成并構(gòu)成單一電路”的芯片,。在摩爾定律時(shí)代，半導(dǎo)體集成電路經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展,，開始受到元器件尺寸、功能增強(qiáng),、成本效益等方面的嚴(yán)重制約,，為突破集成電路發(fā)展的現(xiàn)有的物理局限和材料局限，三維集成電路技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,。目前,，世界主要軍事強(qiáng)國都非常重視三維集成電路技術(shù)的發(fā)展，紛紛制定和實(shí)施了一系列相關(guān)發(fā)展計(jì)劃,，并在穿透硅通孔(TSV),、層減薄、晶圓鍵合等技術(shù)方面取得了一定成果,，加快了三維集成電路技術(shù)在軍民領(lǐng)域工程化應(yīng)用進(jìn)程,。

一、發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入深亞微米時(shí)代后,，二維（2D）芯片內(nèi)部器件間的互連線變得越來越復(fù)雜,，僅通過減小晶體管尺寸和縮短互連線長度等傳統(tǒng)方式進(jìn)一步提高電路集成度的難度越來越大，而三維集成電路的出現(xiàn),，有助于突破現(xiàn)有集成電路在物理和材料方面的局限,。

三維集成電路是一種系統(tǒng)級(jí)集成結(jié)構(gòu)，在這一結(jié)構(gòu)中,，多層平面器件被堆疊起來,，并經(jīng)由穿透硅通孔在Z軸方向連接起來（見圖1）。為實(shí)現(xiàn)這樣的疊層結(jié)構(gòu),，目前正在向穿透硅通孔技術(shù),、層減薄技術(shù)、對(duì)準(zhǔn)和鍵合技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行突破,。

圖1全異質(zhì)工藝的三維集成電路

從三維集成電路封裝的發(fā)展歷程來看,，隨著穿透硅通孔的晶圓封裝技術(shù)向著高量產(chǎn)方面的不斷發(fā)展，穿透硅通孔技術(shù)已經(jīng)逐漸成為三維集成電路互連的一種必然解決方案,。層減薄技術(shù)則是三維集成電路封裝的關(guān)鍵突破口,，在三維集成電路的堆疊或3D封裝中，無論堆疊形式和連線方式如何改變,，在封裝整體厚度不變甚至有所降低的趨勢(shì)下,，為了保證通孔形成的孔徑和厚度比例在一個(gè)合理的范圍內(nèi),，采用3D封裝的晶片必須要進(jìn)行減薄。目前主流解決方案是采用東京精密公司所率先倡導(dǎo)的一體機(jī)思路,，將硅片的磨削,、拋光、保護(hù)膜去除,、劃片膜粘貼等工序集合在一臺(tái)設(shè)備內(nèi),。在三維集成電路封裝互連方面，晶圓鍵合已經(jīng)成為解決晶圓疊層3D封裝互連問題的首選方案,。

美國,、日本、韓國,、歐洲和臺(tái)灣地區(qū)在三維集成電路技術(shù)方面發(fā)展較快,，并且在與三維集成電路密切相關(guān)的穿透硅通孔封裝技術(shù)、層減薄技術(shù),、晶圓鍵合技術(shù)方面取得突破,，為推動(dòng)三維集成電路技術(shù)快速發(fā)展和工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

美國擁有世界領(lǐng)先的三維集成電路技術(shù)研制水平,近十年以來,，DARPA通過基金項(xiàng)目連續(xù)資助PTC,、雷聲等公司聯(lián)合研制基于緊湊垂直互連的三維微系統(tǒng)封裝集成技術(shù)，投資了三維微電子射頻系統(tǒng)和分裂制造技術(shù)等與三維集成電路相關(guān)的項(xiàng)目,，2014年還開始著手研究如何更有效地使用擁擠的電磁頻譜,、如何使摩爾定律得以延續(xù)等問題。

亞洲的日韓和臺(tái)灣地區(qū)在三維集成電路技術(shù)方面處于世界前列,，在相關(guān)的穿透硅通孔,、層減薄等技術(shù)領(lǐng)域擁有雄厚的基礎(chǔ)和實(shí)用化潛力，具備由民用向軍用快速遷移的能力,，例如索尼公司2013年推出防水手機(jī)XperiaZ,，采用三維集成電路制成影像傳感器芯片；韓國三星電子已面向存儲(chǔ)器生產(chǎn)開發(fā)出“垂直柵極”三維技術(shù),；臺(tái)灣2008年成立的先進(jìn)堆棧系統(tǒng)與應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟,，已建成全球第一條300毫米晶圓三維集成電路演示生產(chǎn)線，專用于三維集成電路研發(fā),。

歐洲國家在異質(zhì)系統(tǒng)整合,、芯片集成、三維封裝和穿透硅通孔技術(shù)等方面開展了有針對(duì)性的研究,，并在柔性超薄芯片三維封裝,、三維集成電路微冷卻技術(shù)等方面達(dá)到世界先進(jìn)水平，如比利時(shí)大學(xué)校際微電子中心研發(fā)出了厚度不足60微米的柔性超薄芯片三維封裝,。

二,、發(fā)展趨勢(shì)

三維集成電路技術(shù)和制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)化,、規(guī)范化進(jìn)程將提速。一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在積極聯(lián)合創(chuàng)建與三維集成電路相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟,，解決當(dāng)前業(yè)界三維集成電路技術(shù)和工藝尚未達(dá)成一致的問題,，并試圖在未來的三維芯片競爭中占據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與專利優(yōu)勢(shì)。

國際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）專門成立了4個(gè)致力于三維集成電路標(biāo)準(zhǔn)制定的工作小組,。其中北美3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)已經(jīng)制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),。

臺(tái)灣地區(qū)2011年成立了由來自日月光集團(tuán)、京元電子和工研院專家組成的3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì),，旨在推動(dòng)臺(tái)灣地區(qū)三維集成電路的標(biāo)準(zhǔn)化工作,。該委員會(huì)還與北美3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)合作，參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定,。

其他的標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合組織還包括：日本的“夢(mèng)芯片計(jì)劃”、歐洲的e-Cubes,、IIAP-3D,、美國和歐洲半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商組成的EMC-3D聯(lián)盟等。

圖2  2.5D與3D集成電路的對(duì)比示意圖

三維集成電路技術(shù)繼續(xù)向細(xì)微化方向發(fā)展,。近年來,，隨著三維集成電路技術(shù)成熟度的不斷提高，與三維集成電路發(fā)展密切相關(guān)的穿透硅通孔,、層減薄,、晶圓鍵合等技術(shù)呈現(xiàn)出逐漸向細(xì)微化方向發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖預(yù)測(cè),，穿透硅通孔技術(shù)未來將在垂直方向堆疊層數(shù),、硅晶圓片薄度、硅穿孔直徑,、引腳間距等方面繼續(xù)向細(xì)微化方向發(fā)展,。在垂直方向堆疊層數(shù)上將由2007年的3～7層裸晶片堆棧，演進(jìn)至2015年的5～14層芯片的堆疊,。為使堆疊14層芯片的封裝仍能符合封裝總厚度小于1毫米的要求,，硅晶圓片減薄將由2007年的20～50微米減薄至2015年的8微米；硅穿孔的直徑將由2007年的4微米縮小至2015年的1.6微米,；引腳間距將由2007年的10微米縮小至2015年的3.3微米,。

同時(shí)，三維集成電路細(xì)分衍生出的工藝研發(fā),、設(shè)計(jì)測(cè)試,、多尺寸穿孔、靜電保護(hù)等技術(shù)也將成為未來發(fā)展重點(diǎn),。

三,、應(yīng)用前景

三維集成電路體積小,、集成度高、功耗和成本低,、有利于實(shí)現(xiàn)功能多樣化,，在航空航天、機(jī)器人,、儀器儀表等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景,。

三維集成電路在軍事航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括微衛(wèi)星、微型飛行器,、航空電子設(shè)備等,。目前，美國霍尼韋爾公司與特茲倫（Tezzaron）半導(dǎo)體公司已聯(lián)合設(shè)計(jì)出高效三維抗輻射集成電路,，用于衛(wèi)星,、載人飛船和高空飛機(jī)等航空航天裝備。

三維集成電路技術(shù)在信息儀器領(lǐng)域可應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),，將顯著降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的尺寸、重量,、存取等待時(shí)間,、失效率和成本，且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ),。英特爾實(shí)驗(yàn)室與臺(tái)灣工研院合作開發(fā)出具有低功耗特性的內(nèi)存技術(shù)，未來將廣泛用于平板電腦,、智能手機(jī)等單兵便攜式裝備,，用于軍方的百萬兆級(jí)超大云數(shù)據(jù)中心。

三維集成電路技術(shù)的發(fā)展可促進(jìn)微型軍用機(jī)器人的研制,。美國波士頓動(dòng)力公司和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)的“沙蚤”微型跳躍機(jī)器人,，采用了三維集成電路技術(shù)，其重量僅為4.99千克,，旨在為地面部隊(duì)提供跳躍1層樓高的房頂并在隱蔽情況下進(jìn)入建筑物和營區(qū)的能力,。

三維集成電路技術(shù)在軍事生物醫(yī)學(xué)上也擁有很好的應(yīng)用前景。三維封裝技術(shù)在解決生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)傳感器芯片的應(yīng)用方面發(fā)揮著越來越關(guān)鍵的作用,。此外,，部分研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出對(duì)細(xì)胞進(jìn)行操作的微機(jī)械，如微對(duì)象的操作臺(tái),、微夾鉗等,，未來三維集成電路技術(shù)將在軍用生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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