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异构集成技术发展现状及市场应用前景

发表时间：2020-09-01T01:17:03.245Z 来源：《中国科技人才》2020年第12期 作者： 王成 傅强 李健康

[导读] 在芯片设计和制造成本越来越高的情况下，异构集成作为先进封装技术和被视为后摩尔时代新路径越来越广受关注。

南京电子器件研究所 江苏南京 210016

摘要：在芯片设计和制造成本越来越高的情况下，异构集成作为先进封装技术和被视为后摩尔时代新路径越来越广受关注。异构集成

技术具有增加芯片功能、减小芯片面积、和降低研发成本的优势。异构集成技术已成为微系统三维集成产品实现的主要手段，半导体行业

的领导者，如英特尔、AMD、台积电已将其视为推动半导体下一个三十年发展的重要技术，而国内的一些主要厂商也积极投入精力研发异

构集成相关工艺和产品。可以预见，异构集成技术在未来军用和民用领域有着广阔的应用前景。

关键词：异构集成；半导体；集成微系统

1、概述

异构集成主要指将多个单独制造的部件封装到一个芯片上，以增强功能性和提高芯片性能，可以对采用不同工艺、不同功能、不同制

造商制造的部件进行封装。通过这一技术，工程师可以像搭积木一样，在芯片库里将不同工艺的小芯片组装在一起。半导体产业过去数十

年来，主要遵循摩尔定律规律，集成电路上可容纳晶体管数量，每18个月增加一倍，从而降低成本与功耗，并提升处理性能。然而，随着

工艺愈来愈精密，摩尔定律推进时间面临延长的问题，目前的半导体制造工艺已经达到5nm，逼近物理极限，依靠缩小线宽的办法已无法

同时满足性能、功耗、面积以及信号传输速度等多方面的要求。越来越多半导体厂商开始将发展重点放在异构集成技术上，以应对新的挑

战。该技术主要体现在系统设计与微纳集成的紧密结合、三维结构和三维互连、多材料体系的融合、以及多工艺体系的应用等方面。美国

在异构集成技术方面遥遥领先，诺格公司（Northrop Grumman）在2017年已形成代工能力，其制造的异构芯片已在诸如AESA（有源相控阵

雷达）中开始应用，在以砷化镓、氮化镓、异构集成为代表的射频元器件代级发展趋势中，以异构集成技术为代表的集成微系统将有着广

阔的市场应用前景。

2、异构集成发展现状

2.1源起与布局

早在20世纪90年代末，美国国防部率先提出了采用异构集成技术，将微电子器件，光电子器件和微机电系统整合在一起制作芯片级集

成微系统概念，有效提高系统的功能性和小型化程度。根据国际半导体技术路线图（ITRS），3D集成技术是未来关键发展技术之一，是实

现小型化，克服信号延迟导致的所谓“布线危机”的关键性技术解决方案。国际半导体发展路线图明确指出，后摩尔定律时代（more than

Moore）将推动各种数字功能从板级向封装级、芯片级、堆叠芯片过渡。

2000年开始DARPA（美国国防部高级研究计划局）将异构集成技术作为21世纪半导体后摩尔时代重点布局的发展技术。典型的技术

是：基于硅中介层的3D集成，基于化合物半导体芯片CHIPLET（具备与硅CMOS圆片异构集成物理接口和与异构集成工艺兼容能力的分割

后的芯片颗粒）在硅CMOS圆片上的高密度异构集成技术。尤其是CHIPLET技术，以成熟度看，已经发展至接近标准工艺技术阶段，可以

支持磷化铟、氮化镓和无源元件等在硅CMOS圆片上的一体化集成，以技术进展和应用需求看，CHIPLET异构集成技术将成为美军先进射

频前端的中长期首要制造技术。

2006年，在先进射频前端的集成技术领域，DARPA开始布局大型项目，至今，已经形成梯度体系：面向可重构收发器的可扩展毫米波

阵列（SMART，2006年开始），化合物半导体材料在硅上（COSMOS，2008年开始），和多种器件异构集成（DAHI，2010年开始）。

2.2发展现状

近年来关于异构技术的前沿研究报道层出不穷。Kuan-Neng Chen团队报道了一种利用2.5D异构集成技术制成的生物神经传感网络芯

片，与传统生物神经传感芯片相比，该新型芯片具有最短的信息传输距离和最小的集成面积，同时展示了优异的电性能和高可靠性，在生

物传感领域在对未知之谜的探索和解决上被寄予厚望。Motonobu Sato等人设计出一种通过整合异质基底和使用再分配层，将基于SiC基的

GaN HEMT 驱动放大器和功率放大器与Si基匹配电路进行异构集成，制成了一种多芯片频带可调的异构集成器件，该方法有效地增加了集

成芯片数量，降低了成本。Yu-Ting Cheng等人提出了一种基于金-金热压键合的无扰互连方案，该方案可以将CMOS芯片和其他硅基芯片、

MEMS、III-V芯片进行异构集成。该无扰互连方案的直流、射频电特性已经得到了验证，并显示了良好的宽带过渡性能。该技术已经显示

了在射频MEMS异构集成领域具有很大的应用潜力。

从实际应用进展看，基于硅中介层的异构集成技术现在已经趋于成熟，多款民用产品已经面市，制造技术平台也已经形成，我国台湾

TSMC（台积电）的COWOS（Chip on Wafer on Substrate，芯片+圆片+基板）平台，就是基于硅中介层的异构集成技术的代表。台积电通过

将此技术移植到军用异构模块技术上，为美国XILINX（赛灵思）制造出先进FPGA，并已用于军用装备。而诺格公司基于磷化铟、氮化镓

等CHIPLET的异构集成技术也取得明显进展，从已经公开的信息看，诺格公司基于CHIPLET的异构集成技术已接近完成标准工艺发展的阶

段。而诺格的圆片级组装技术到2007年在双层技术方面趋于成熟，到2010年四层技术达到较高技术成熟度和制造成熟度水平，可以批量生

产。如今，诺格基于晶圆级封装的圆片级组装技术已经具备以下综合能力：

表1 诺格公司的晶圆级封装已经具备的异构集成能力

2.3主要技术问题

异构集成技术面临的首要问题是微纳结构热管理问题。芯片的集成与堆叠会让散热问题变得更加辣手，设计人员需要更加精心地考虑

系统的结构，以适应、调整各个热点。更进一步，这将影响到整个系统的架构设计，不仅涉及物理架构，也有可能会影响到芯片的设计架

构。

其次测试也是一个挑战。可以想象在一个封装好的芯片组中，即使每一个小芯片都能正常工作，也很难保证集成在一起的系统级芯片

保持正常。对其进行正确测试需要花费更大功夫，这需要从最初EDA工具，到仿真、制造以及封装各个环节的协同努力。面对这一挑战，

较前沿的技术思路是内建测试（BUILT-IN TESTING）。

最后诸如磷化铟等对应力敏感材料，非常易碎，制作过程中产生的应力（如键合后引起的应力）对其CHIPLET的影响很大，工艺选

择、工业优化和工艺过程管理要求很高。

这些技术问题的解决，目前主要有铜键合技术和低温直接键合技术。之所以采用铜键合技术，其一是因为铜互联工艺是主流工艺；其

二是因为铜键合互联工艺是制造成熟度最高的工艺。而低温直接键合技术的采用，是因为异构互联所要求的异质器件间的键合难度要远远

高于同质器件的键合，键合后易引起应力失配缺陷和失效，低温直接键合技术可降低缺陷和失效。这和化合物半导体器件要求低温键合类

似，高温容易导致材料和器件性能退化和失效。

3、未来市场应用前景

异构集成技术目前主要应用于智能射频前端。DARPA发展异构集成技术的核心目标是要实现圆片级相控阵，圆片级相控阵是未来信息

作战平台的主要代表，将铸就美军雷达优势。而欧洲目前的研究方向主要集中在民用，如汽车用雷达射频前端等。先进装备用相控阵列和

5G毫米波大规模MIMO阵列，分别代表军、民两大应用面。由此可见，应用异构集成技术发展的一系列集成微系统，将逐步替代传统射频

集成技术，相对于当今传统阵列，可以预见这一目标的实现将对目前半导体集成领域的核心技术、制造平台、装备供应链格局、应用等诸

多方面产生颠覆性变革，其应用范围极其广阔，市场价值极其巨大。

4、结束语

半导体行业在过去60年，按照摩尔定律的发展取得了惊人的成就。值得深思的是，早在2003年，其他国家尚在摩尔定律之道上“被牵

行”，DARPA 内部已否定摩尔定律的后续表征，率先布局后摩尔基础技术；今日，当业界集体意识到后摩尔时代来临时，DARPA 后摩尔时

代以异构集成技术为代表前期技术基础构建已经完工，后摩尔时代后期领先体系发展已经启动，今后将对已有传统射频微系统产业进行代

级更替，同时形成巨大的市场，其超前的规划意识和发展思路对推动和加快我国半导体行业的发展有着积极的参考和借鉴意义。我国目前

在异构集成技术及相关集成微系统研究落后于美国，尤其是在发展规划、产业布局、材料工艺方面尤为严重，需要我们重视这一技术的发

展趋势，迎头赶上，逐步拉动上游产业链的发展，实现这一领域的跟进与超越。

参考文献：

[1] 王高峰，赵文生. 三维集成电路中的关键技术问题综述[J]. 杭州电子科技大学学报，2014（2）：1.

[2] 孙加兴；衣丰涛. 中国集成电路IP技术及市场发展现状分析[J]. 电子产品世界，2009（9）：3-4.