微系统三维异质异构集成与应用

郝继山，向伟玮

1. 微系统与三维异质异构集成

微系统是融合体系架构、算法、微电子、微光子和MEMS五大要素，采用新的设计思想、设计方法和制造方法，将传感、处理、执行、通信和能源等五大功能集成在一起，具有多种功能的微装置。其中，体系架构是构建微系统的骨架，功能算法是微系统的灵魂，微电子、光电子和MEMS等是微系统的基本元素，学科交叉融合是微系统创新的源泉。微系统的概念如图1所示。

图1 微系统的概念

微系统的发展与微电子和集成技术的发展息息相关，微电子沿着摩尔定律继续发展，它追求的是更小的纳米尺度工艺，以此推动集成电路向更高的集成度方向发展。集成技术沿着超越摩尔定律的方向发展，它面向应用，通过射频、模拟和光电等多种功能的融合集成提升集成密度。微系统集成则是综合了延续摩尔和超越摩尔两条路径的最新成果，通过三维异质异构集成实现更高的价值。微系统实现途径与发展规律如图2所示。

图2 微系统实现途径与发展规律

三维异质异构集成（3D Heterogeneous Integration）是指通过跨学科多专业融合，通过协同设计和微纳集成制造工艺，实现不同材料、不同结构和不同功能元件的一体化三维集成。三维异质异构集成的典型特征有：1）三维异质异构集成是系统设计与微纳集成的紧密结合；2）三维体现在三维结构和三维互连；3）异质异构集成体现在多材料体系的融合；4）三维异质异构集成的实现需要多工艺体系的运用。

2. 三维异质异构集成的定位与形态

“国际器件与系统发展路线图（IRDS）”将产品集成划分为基础制造、深度摩尔、新型器件、异构组件、异构集成、系统互连和系统集成七个层次。其中三维异质异构集成解决异构组件、异构集成、系统互连和系统集成四层中的集成制造问题，是在“国际半导体技术发展路线图（ITRS）”基础上的延续和发展，突出了除芯片外异质异构集成的重大作用。IRDS中的产品集成层级如图3所示。

图3 IRDS中的产品集成层级

图4 三维异质异构集成的产业链定位

图5 三维异质异构集成的尺度定位

在微系统集成中，三维异质异构集成是从芯片到系统的技术桥梁。在整个微系统的集成产业链中，是在系统架构设计的基础上，整合不同材料、不同功能的单专业晶圆、芯片或元器件，通过晶圆级集成和系统级集成等多种方式输出面向用户的终端产品，实现成本和性能最优的系统。三维异质异构集成的产业链定位如图4所示。

从集成尺度和集成工艺方法角度，传统的系统集成更多是基于PCB有机基板的集成组装，具有低成本的优势，但PCB集成的最小特征尺寸只能达到10μm左右，局部可能实现5～8μm，很难进一步提升集成密度。另一方面，晶圆代工厂的芯片工艺很容易做到纳米级的特征尺寸，很容易在硅/玻璃转接板上实现高密度集成，但基于芯片工艺的集成成本很高，难以在系统集成领域大规模推广应用。因此三维异质异构集成聚焦于1～10μm量级内的系统集成互连问题，以可接受的成本打破了从微纳工艺到系统集成间的尺度壁垒。三维异质异构集成的尺度定位如图5所示。

晶圆级三维异质异构集成有D2I（Die to Interposer，转接板上集成）集成、D2W（Die to Wafer，晶圆上集成）集成、W2W（Wafer to Wafer，晶圆堆叠集成）集成和异质集成等四种集成方式。D2I是制作带TSV/TGV互连通孔、集成无源元件（IPD）和微散热流道的硅/玻璃基转接板，表面集成有源器件后三维堆叠；D2W是对已有CMOS晶圆做重布线和TSV互连通孔，表面集成其他有源器件后三维堆叠；W2W是各同类或异类晶圆直接三维堆叠键合集成；异质集成是通过异质材料外延生长或转移实现系统级多功能集成。晶圆级三维异质异构集成方式如图6所示。

图6 晶圆级三维异质异构集成方式

图7 SiP集成形态

图8 SoP集成形态

图9 COSMOS/DAHI项目中的三维异质异构集成路径

图10 CHIPS项目：统一的架构+可复用的IP

系统级三维异质异构集成有SiP（System in Package，封装内系统）和SoP（System on Package，系统封装）两种典型形态。SiP是通过基片和芯片的三维集成封装，构建高性能功能核心单元，实现芯片互连、散热和环境适应性防护。SoP是实现各核心单元和辅助元器件的互连与集成，提供系统对外接口，加载算法和软件后形成系统功能。SiP集成形态如图7所示。SoP集成形态如图8所示。

3. 三维异质异构集成的发展现状

美国以DARPA为代表的研究机构自21世纪以来在三维异质异构集成领域布局了大量项目和工程。COSMOS（Compound Semiconductor Materials on Silicon）项目和DAHI（Diverse Accessible Heterogeneous Integration）项目通过开发新的工艺方法，将不同功能特点的GaN、InP等多种化合物半导体材料或器件紧密集成在Si-CMOS电路上，以可接受的成本大幅提升电路性能和集成密度，实现晶圆级的三维异质异构集成。在实现方案中，既有基于组装的异构集成也有基于外延的异质集成，其中以诺格公司主导的“小芯片”（chiplet）异构集成方案具有一定优势并推出了标准工艺。COSMOS/DAHI项目中的三维异质异构集成路径如图9所示。

在DARPA的CHIPS（Common Heterogeneous integration and IP reuse Strategies）项目中，通过构建全新的微系统三维异质异构集成架构和基于IP复用的集成方法，提升异质异构集成技术的经济性、可使用性和可获得性，使三维异质异构集成可被快速推广到更多的应用领域。该架构和方法把受知识产权保护的微电子模块与其功能整合为射频、光电、存储和信号处理等“微芯片零件”，这些“零件”可以随意整合，如拼图一样快速构建“微芯片零件组”，实现复杂功能。该项目是DARPA“电子产品复苏计划（ERI）”的一部分。图10所示为CHIPS项目：统一的架构+可复用的IP。

在DARPA的SMART（Scalable Millimeter-Wave Architectures for Reconfigurable Transceivers）项目中，通过三维异质异构集成技术，验证一种超低剖面毫米波有源相控阵列（AESA）的系统集成架构，整个阵列厚度小于10mm。功能密度提高两个数量级，极大地改善未来毫米波阵列系统的尺寸、重量和性能，并将实现系统的可扩展和可重构，批生产制造效率和成品率更高，成本更低，充分体现了三维异质异构集成在系统应用中的巨大优势。图11所示为SMART项目：超低剖面毫米波有源相控阵列单元。

图11 SMART项目：超低剖面毫米波有源相控阵列单元

在欧洲，比利时IMEC以其开放式全球领先的CMOS工艺为基础，瞄准生命科学、智慧交通、智慧城市、智慧工业和智慧能源等产业界应用前沿，在三维异质异构集成领域开展了大量前沿性研究，并孵化出各类高密度集成产品。IMEC的三维集成技术经历了3D-SiP（系统级封装）和3D-WLP（圆片级封装），现已到达3D-IC阶段（IC制造级集成）。

IMEC的三维异质异构集成发展路径如图12所示。

图12 IMEC的三维异质异构集成发展路径

德国的Fruanhofer IZM在三维异质异构领域中涉及两个核心部门，分别是圆片级系统集成部和系统集成及互联技术部，瞄准集成与应用，分别定位晶圆级集成和系统级集成两大核心能力，通过三维异质异构集成实现从微电子到智能系统的桥梁。Fraunhofer IZM的三维异质异构集成思路如图13所示。

图13 Fraunhofer IZM的三维异质异构集成思路

图14 三维集成射频收发单元

图15 三维集成变频单元

在国内，三维异质异构集成技术也受到了研究机构和产业界的广泛关注，开发出一批三维异质异构集成技术和产品。其中基于三维异质异构集成的超小型射频收发单元，通过将化合物半导体器件在硅基射频电路上的堆叠集成，以可接受的成本大幅提升电路性能和集成密度，体积质量仅为传统产品的1/40，且集成一致性更好。基于三维异质异构集成的超小型变频单元，通过将GaAs多功能芯片在集成了IPD滤波器的硅基转接板上堆叠集成，实现高性能信道化频率变换，体积质量相对传统产品降低近两个数量级，且性能一致性更优。三维集成射频收发单元如图14所示。三维集成变频单元如图15所示。

4. 三维异质异构集成的应用

随着网络信息化产业的迅猛发展，智慧城市（物联网）、智慧交通（车联网）、综合治理安全、网络信息安全、5G通信、机器人和智能硬件等产业领域都将是基于微系统智能传感节点的网络化应用，这些智能节点需要在极其有限的体积质量内全部或部分实现数字、模拟、射频和光电等功能。而三维异质异构集成将是这些智能传感节点硬件的核心实现手段。三维异质异构集成的产业化应用领域如图16所示。

图16 三维异质异构集成的产业化应用领域

物联网智能节点需要具有射频感知、光电感知、化学感知和通信组网等功能，需要通过三维异质异构集成实现低功耗、低成本和规模化制造。三维异质异构集成在智慧城市中的应用如图17所示。

自动驾驶的生态系统正在成形，全球车用智能驾驶节点产值将大幅增长。感知节点是射频、光电和组网功能的高密度集成。决策节点是处理、存储与人工智能的高密度集成。能源控制节点是采集、处理和控制的高密度集成。以上节点的发展也需要三维异质异构集成。三维异质异构集成在智能驾驶中的应用如图18所示。

图17 三维异质异构集成在智慧城市中的应用

图18 三维异质异构集成在智能驾驶中的应用

图19 三维异质异构集成在安全防卫中的应用

图20 三维异质异构集成在天地一体通信节点中的应用

图21 三维异质异构集成在5G通信中的应用

图22 三维异质异构集成在智能硬件中的应用

图23 三维异质异构集成在微型机器人中的应用

安全防卫产品正在从过去的“粗暴型”往“高科技、人性化和微型化”转变，对电磁防卫手段的需求越来越大，而电磁防卫节点往往是感知、处理、控制和组网一体化功能载体，也需要三维异质异构集成。三维异质异构集成在安全防卫中的应用如图19所示。

天地一体通信的天基接入网和地基接入网都需要使用大量微型化低成本的通信节点形成全球覆盖。天基的微纳卫星和地基的通信微基站都对体积、质量和成本有苛刻要求，传统集成手段不具有竞争优势，三维异质异构集成是理想的解决方案。三维异质异构集成在天地一体通信节点中的应用如图20所示。

5G通信网络中大量部署的微基站和用户终端，传统集成方式很难满足要求且不具备成本优势。三维异质异构集成是提升集成密度和降低成本的有效手段。三维异质异构集成在5G通信中的应用如图21所示。智能可穿戴硬件与智能医疗硬件正逐渐成为消费类电子的热门领域，它要求便携小尺寸的同时具有优良的人体兼容性，需要三维异质异构集成的高密度和柔性共形等能力。三维异质异构集成在智能硬件中的应用如图22所示。

以微型无人机和机器昆虫等为代表的微型机器人是未来重要的人工智能节点，其小尺寸高智能的特征无法通过传统手段实现，需要三维异质异构集成能力。三维异质异构集成在微型机器人中的应用如图23所示。

5. 结束语

在微系统技术和产品蓬勃发展的今天，三维异质异构集成是微系统实现综合系统功能、性能、周期和成本最优的手段，是从芯片到系统集成的技术桥梁。三维异质异构集成通过D2I、D2W、W2W和异质集成等手段实现晶圆级集成，以SiP和SoP的系统集成形态支撑系统应用，在国内外受到广泛关注并取得大量突破性进展。在供给侧改革和创新驱动发展的国家战略背景下，三维异质异构集成将是微系统的核心能力之一，必将推动网络信息化产业的跨越发展。