模拟芯片，也能3D集成了

　　尽管数字技术不断渗透到商业、工业和休闲活动的各个领域，模拟集成电路(IC) 在全球半导体市场仍占有一席之地。今年的收入预计将达到 850 亿美元，相当于年复合增长率 10% 。推动这一需求的是人工智能、物联网技术和自动驾驶汽车的进步，所有这些都依赖于模拟 IC 来实现传感和电源管理等功能。与仅处理二进制信号的数字 IC 不同，模拟 IC 可以处理温度和声音等连续信号，使其成为与物理环境交互的必需品。
　　着眼于这一不断扩大的市场，两家总部位于东京的公司——冲电气工业株式会社和日清纺微设备公司——已合作开发薄膜模拟集成电路。这些集成电路还可以垂直堆叠，两家公司声称这有利于电子产品的小型化和一次集成更多集成电路。该技术还可以降低成本，并通过在更小的空间内实现更多功能或提高性能来增加功能。
　　日清纺生产工程助理经理 Toshihiro Ogata 表示：“我们生活在一个由声音、光、温度和压力组成的模拟世界中。模拟 IC 连接物理世界和数字世界，处理自动驾驶汽车中的摄像头和激光雷达检测到的连续物理信号（例如光和距离） ，并将其转换为数字数据以支持安全驾驶。”
　　薄膜 3D 模拟集成电路的开发涉及OKI 的晶体薄膜键合 (CFB) 工艺，可将模拟 IC 的功能薄膜层从基板上剥离。（具体工艺属于商业机密。）然后将分离的层键合到由绝缘层（例如氧化硅）隔开的另一个模拟薄膜层上。键合是通过分子之间的吸引力实现的，这种现象称为分子间键合。传统的引线键合将堆叠的层电连接起来。
　　OKI CFB 开发部总经理 Kenichi Tanigawa 表示：“与我们的 CFB 堆叠相比，标准堆叠工艺通常使用 TSV（硅通孔，一种连接堆叠芯片的垂直布线方法），并涉及先进的工艺和特殊设备。”他表示，使用 TSV 布线的堆叠中单个芯片的厚度范围为数十到数百微米。“而在 CFB 堆叠中，每个芯片只有 5 到 10 [微米] 厚——这就是为什么可以使用广泛使用的传统系统上的低成本传统半导体光刻技术进行重新布线的原因。”
　　CFB 堆叠还支持使用多种不同的3D 集成方法。一种简单而巧妙的工艺使用相同的IC 设计，其接线焊盘沿一个边缘排列。铺设第一层后，每个后续 IC 层的尺寸都会略微缩小并旋转 90 度，使先前较低层的接线焊盘暴露在外。此方法可用于连接最多四层 IC。
　　然而，由于堆叠的模拟 IC 非常薄，因此各层之间会发生串扰，从而导致信号干扰、噪声和 IC 性能下降。这正是日清纺利用其专有屏蔽技术发挥作用的地方。
　　日清纺的 Ogata 表示：“我们使用铝作为采用传统半导体工艺铺设的屏蔽材料。”他解释说，如果要屏蔽整个电路层，“就会产生很大的寄生电容”，即电路层之间会产生不必要的电荷存储，从而干扰电路运行。“这是因为，与工作电压低于 5 伏的数字 IC 不同，模拟 IC 可处理高达 20 或 30 伏的电压，这会增加寄生电容。”
　　为了防止这种情况发生，屏蔽只应用于堆叠芯片之间发生干扰的关键区域，这些区域是日清纺根据其数十年的研究和模拟 IC 工作经验确定的。Ogata 表示，这种定位可以减少信号干扰，而不会影响电路功能。
　　Chiplet 集成的优势
　　两家公司指出，薄膜 3D 模拟 IC 堆叠也可用于模拟和数字 IC 相结合的情况。这将使它们能够用于芯片——可以组合起来创建更复杂设备的模块化 IC。
　　Ogata 表示：“与大型单片设备相比，小芯片具有多项优势。”与将所有东西都塞进一块大芯片不同，传感、处理和电源管理等不同功能可以分开处理。每个小芯片都可以针对其特定功能进行优化，从而降低成本。堆叠小芯片还可以减少空间需求，从而制造出更小的设备。而且制造良率可能会更高，因为如果一个小芯片出现缺陷，可以在组装前识别并更换小芯片。（而一块大芯片出现缺陷则意味着必须丢弃整个芯片。）然而，在这种先进的集成成为现实之前，公司可能仍会面临一些挑战。
　　蒙特利尔麦吉尔大学计算机与电气工程教授Gordon Roberts表示：“小芯片方法对于下一代半导体制造非常重要。”尽管当今的小芯片已经允许某些组件（例如 CPU、GPU和内存）进行混合和匹配，但半导体发展的下一步将看到更多样化的组件，例如模拟、电源和光学芯片，它们将使用创新的堆叠和互连技术无缝集成。
　　“能够以低成本组装各种组件的工艺是朝着正确方向迈出的一步，”Roberts 说道。“然而，由于该工艺使用减薄的半导体器件堆叠在通用基板上，因此问题在于减薄步骤会引入制造缺陷。”除了威胁制造产量外，裂缝等缺陷还有可能在测试过程中被忽略，从而导致可靠性问题。“因此，需要确定公司如何处理单个芯片并将其封装在一起，”Roberts 说道。
　　OKI 和日清纺相信他们可以克服这些问题，并且已经计划将他们的新方法投入商业应用。
　　OKI 的 Tanigawa 表示：“将我们的技术应用于小芯片技术意味着我们将能够提供一系列不同的模拟 IC。而各种数字、模拟、光学和其他半导体设备的异构集成将有助于未来开发新的半导体芯片。”他补充说，两家公司已经开始基于其技术开发新产品，并计划在 2026 年实现量产。