武汉新芯3D IC技术平台，实现晶圆堆叠无限可能

根据调研机构 Yole 统计，3D IC(三维集成)整体市场规模（涵盖3D SoC、2.5D Interposer/Foveros、HBM、CIS等）在 2020 年约 30 亿美元出头，预计 2023 年将成长至 60 亿美元，其中，年复合成长率最高的是 3D SoC，其次是高带宽存储 HBM。

虽然 3D IC 技术已经是当今半导体产业炙手可热的议题，引发英特尔、台积电、三星等重兵投入，但在图像传感器 CIS 领域，3D IC 技术早已十分普及。

武汉新芯从 2012 年投身 3D IC 技术研发 CIS 产品，至今累积了超过 84 万片晶圆出货量。

武汉新芯 3D IC 技术的缘起

成立于 2006 年的武汉新芯，是华中地区第一个 12 寸半导体项目。

2012 年武汉新芯开始与 CIS 大厂豪威 OmniVision（已被韦尔半导体收购）合作，切入 CIS 技术与产品线。这奠定了今日武汉新芯晶圆堆叠技术的基础，公司更将 3D IC 技术作为晶圆代工业务发展的主要平台之一。经过多年技术积累，武汉新芯已成为全球少数可提供 3D IC 代工的半导体企业之一。

2019 年 9 月，武汉新芯的母公司长江存储正式量产 64 层 3D NAND 存储芯片，其采用的 Xtacking 技术便是源于武汉新芯的 3D IC 技术，成为武汉新芯 3D IC 技术在除 CIS 之外的又一应用实例。

把两片晶圆堆叠一起，已经是现在很前瞻的技术，但武汉新芯并不满足于此。

武汉新芯晶圆代工部门业务兼行销总监沈亮表示，公司正在开发多片晶圆堆叠技术，后续计划是实现 die to wafer 堆叠技术。

3D IC 技术已经广泛应用于 CIS 产品

为什么 CIS 是目前 3D IC 技术应用最广的领域？

随着消费类产品的持续升级，大家都在同时追求更高的性能和更小的元器件尺寸。为了缩小芯片面积，遵循摩尔定律来进行晶体管微缩是通常的做法，但 CIS 芯片却无法这样做。原因在于感光芯片对进光量有一定要求，尺寸过小会影响进光量，所以需要平衡尺寸和进光量之间的关系。

所以，采用 3D IC 技术将感光芯片和逻辑电路上下堆叠起来，减小了芯片整体面积，同时保证了一定的感光面积，兼顾了性能和尺寸需求。

3D IC 应用的创新范例

以长江存储 64 层 3D NAND 闪存举例。它作为全球首款基于 Xtacking 架构设计并实现量产的闪存产品，拥有同代产品中最高的存储密度。

Xtacking 可实现在两片独立的晶圆上分别加工外围电路和存储单元，这样有利于选择更先进的制造工艺。

当两片晶圆各自完工后，创新的 Xtacking 技术只需一个处理步骤就可通过数十亿根垂直互联通道（VIA）将两片晶圆键合。相比传统 3D NAND 闪存架构，Xtacking 可带来更快的 I/O 传输速度、更高的存储密度和更短的产品上市周期。

3D IC 技术最理想境界：存算一体

现在人工智能是大家都非常关注的应用，解决方案有 CPU、GPU、ASIC 等，但是随着算力需求的增加，这些方案都面临“存储墙”的问题，即 CPU 和内存之间的数据传输带宽成为了瓶颈，影响了整体处理能力的提升。

最理想的解决方案，其实是在 3D 技术架构下，打造真正的存算一体，突破“存储墙”的限制。

武汉新芯已经在 2D 技术下，以 NOR Flash 架构做卷积运算，做出可工作的 AI 加速器。但是，受限于 2D 技术的周边电路结构，NOR Flash 的逻辑部分无法完成数据的快速处理。

如果采用 3D IC 技术，可以直接将一颗处理器和一颗 NOR Flash 芯片堆叠在一起，在NOR Flash中实现卷积运算和存储，在处理器和 NOR Flash 之间则可以实现数据快速传输，这样在一颗芯片中就能实现人工智能的数据运算和处理，同时，还可以用 NOR Flash 的一部分作为处理器的 embedded flash。

随着逻辑工艺进入 7nm 和 5nm，最终目的不是节省成本，而是提升性能和缩减尺寸，但有太多无法通过工艺缩小的电路，例如模拟、I/O、嵌入式闪存等，却又占据很大的逻辑晶圆面积，成本高昂。

如果逻辑电路放到一片先进工艺的晶圆上，模拟等电路移到另一片成熟工艺的晶圆上，再通过 3D IC 技术实现全带宽互联，则可以有效提高处理性能同时降低成本。

AMD 于 2019 年初发布的新一代 CPU 便印证了这样的概念，CPU 核心用 7nm，但是 I/O 芯片是 12nm/14nm，虽然还没用到晶圆级堆叠，已然证明不同工艺的组合确实可以实现成本可控，同时不损失性能。

3D IC 技术的发展路径

3D IC 技术可以协助实现创新，但也有几个痛点是无法回避的。

首先，两片堆叠的晶圆 die size 必须要做到尽量相同，才能实现晶圆级互联时， die之间的对准。

第二个是良率控制的问题。如果两片晶圆的良率没有控制好，堆叠后的良率会比较低。

这也是为什么目前 3D IC 技术多用在 CIS 和存储上，因为 CIS 良率容易控制，而 NAND Flash 可以透过修正方式提升良率。

所以，对于 3D IC 项目，我们推荐的合作模式是：在项目早期，武汉新芯就希望和芯片设计公司、EDA 软件厂商、终端客户来一起合作，定义产品架构、进行测试方法的开发和验证、完成容错算法，确保产品开发和系统开发同步，提高产品的良率。

看好 3D IC 技术的前景和高技术壁垒，武汉新芯擘画了三个阶段的 3D IC 技术目标：

第一阶段：2020 年 Hybrid Bonding 技术，实现两片晶圆堆叠的非存储类产品量产。

第二阶段：2021 年 M-stacking 技术量产，实现三层及以上的多片晶圆堆叠。

第三阶段：2022 年 Hi-stacking 技术量产，实现晶圆和 die 堆叠整合。

沈亮指出，第一阶段的 Hybrid Bonding, 越来越多地被客户青睐，用于“存算一体”类人工智能产品。同时在新兴的 d-TOF 上亦将发挥重要作用，由于器件利用直接飞行时间测距，计算量要求比传统 CIS 高，必须采用 Hybrid Bonding 连接方能达到更好的性能和用户体验。

第二阶段的多片晶圆堆叠 M-stacking 技术，是把 DRAM 晶圆也堆叠上去，可作为数据缓冲，实现对存储体的高速数据存取。现阶段采用后段封装工艺制造的 HBM，因其凸点工艺的局限，存在散热性能差、连接数少等先天弊端，影响存储容量和带宽提升空间。针对此问题，利用多片晶圆堆叠技术工艺精度高、连接热阻低和生产效率高的优势可大幅度提升性能。

第三阶段的 Hi-stacking 技术可提供晶圆和 die 堆叠在一起的多层解决方案，不再受上下 die 尺寸要求一致的限制，从而使堆叠方案更灵活，提升堆叠后产品的良率，降低产品成本。

目前武汉新芯已经和多家客户开始以上项目的合作研发。

“存储教父”全掌舵武汉新芯，或缔造“紫光系”最快挂牌上市公司

​紫光突破封装技术关键一棋！“存储教父”高启全掌舵武汉新芯，或缔造“紫光系”最快挂牌上市公司| 独家

现任中芯国际独立董事、台积电前营运长蒋尚义曾一针见血的提醒：国内要在半导体领域追赶至世界水平，着力于封装技术才是“解药”。

而紫光集团旗下的武汉新芯近期高层大变动，由两岸存储教父高启全接下 CEO 一职，就是要以 3D IC 封装技术为利器，帮助公司大改造，力拼在三年内挂牌上市，使其成为紫光在国内孵化的另一家全新上市公司。

（来源：武汉新芯官网）

紫光集团的战略部署“从芯到云”涵盖互联网、存储、云计算、大数据等领域，包括展鋭、新华三、长江存储、紫光国芯、紫光存储等，从通讯芯片、 3D NAND 存储芯片、 DRAM 芯片设计、 服务器、闪存模组、 SSD 模组、 eMMC 模组等产业一条龙策略布局，更肩负打造国家存储基地的任务。

武汉新芯曾被视为国家存储基地，后被长江存储光芒盖过

在紫光集团广大的布局蓝图中，武汉新芯是一个曾经“消失”的名字，然而现在，它却可能是紫光集团众多转投资公司中，最快挂牌上市的企业！

当年，国内在遴选国家存储基地时，武汉打败众多一线大城市，拿下国家存储基地项目，一夕之间，所有的目光都聚集在武汉新芯身上。当时，各界曾以为国家最重要的存储基地会在武汉新芯底下动起来。

谁知道，随后紫光集团入主武汉新芯，2016 年 7 月“长江存储”这家全新的公司横空出世，由紫光集团、大基金、湖北政府三方出资成立，长江存储更将武汉新芯纳入旗下 100 ％ 持股的子公司，从此，肩负起国家存储基地的重要任务就是大家耳熟能详的长江存储，武汉新芯依附在长江存储下面，沉默了多年。

武汉新芯是一家老牌的半导体公司，2006 年由湖北省和武汉市进军集成电路制造领域所成立，之后几年，武汉新芯与中芯国际进入了一段剪不断、理还乱的“纠缠史”。

武汉新芯曾是“世家贵公子”，无奈身世坎坷且历尽沧桑

武汉新芯成立后，湖北省和武汉市把该公司委托给中芯国际代管，一度成为中芯国际的“武汉厂”，主要以从事以 12 寸晶圆厂生产 NOR Flash 芯片和 CMOS 图像传感器芯片的代工制造，帮美商 NOR Flash 大厂飞索（后被 Cypress 并购），以及传感器大厂豪威（OmniVision）做代工。

后来因为大客户飞索声请破产，中芯也因为自身营运自顾不暇而无力管辖武汉新芯，当时业界更一度传出美商美光（Micron）、豪威（OmniVision）都十分觊觎武汉新芯，有意入主，该消息更引来豪威在当时的最大晶圆代工来源台积电“隔海震怒”，认为豪威才刚刚与台积电签署新的代工协议，转身却想和武汉新芯发展另一段“崭新的关系”，差一点全面封杀豪威。

（来源：武汉新芯官网）

身为曾经是湖北最著名的集成电路基地，又与中芯纠缠数年，更一度引来众多外商觊觎，武汉新芯就像是个含着金汤匙出身的富家子弟，却尝尽家道中落之苦，身世是历经沧桑。

当众人以为武汉新芯即将时来运转，摇身一变成为国家存储基地大本营之际，长江存储的横空出世，似乎又让武汉新芯准备绽放的光芒，立刻暗淡下去。细数国内众多老牌半导体大厂的身世，武汉新芯算得上是最命运多舛的代表。

存储教父高启全掌舵武汉新芯，进行大改造计划

近期，武汉新芯在紫光集团内部正在悄悄进行“大变身计划”，这个流浪多年的世家贵公子要紧抓机会，再次重返荣耀。

有两岸存储教父之称的紫光集团执行副总裁、长江存储代行董事长高启全，近期又悄悄多了一个新的头衔，他正式接下武汉新芯执行长一职，着手进行全面改造。

高启全掌舵之下的长江存储，成为国内最重要的存储研发和生产制造基地，更实现 3D NAND 技术的开发和量产，打破三星电子（Samsung Electronics）、美光（Micron）、东芝（Toshiba）、西部数据等大厂筑起的 NAND Flash 技术籓篱，明年更要挑战 64 层 3D NAND 技术，大幅缩短与国际大厂之间的距离。

这次，高启全再度接下武汉新芯 CEO 一职，要再度改造武汉新芯，让这个老牌半导体厂摇身一变成为紫光集团旗下，即将破茧而出的新面貌企业。

武汉新芯副总裁孙鹏为 DT 君阐述武汉新芯营运重新定位后的三大方向，其中一个方向，是最近在全球半导体产业红透的“3D IC”技术，武汉新芯已经准备好了！

不追逐高端工艺技术，要以独门秘技走不一样的路

武汉新芯的重新出发，定位颇为“睿智”。国内这一波半导体热潮都聚焦在高端工艺技术，追逐 28nm、 14nm、 7nm，甚至是关键的存储 DRAM 和 3D NAND 技术，武汉新芯避开了人潮群聚的地方，不争高端技术的头衔和资源，独自走出一条属于自己的独门秘径，同时从晶圆代工厂，转型为 IDM 厂。

武汉新芯设立三大营运方向，分别为 3D IC 技术、自有品牌 NOR Flash 、 MCU 三大块。

3D IC 技术是近来半导体产业极为火红的名词，武汉新芯的技术是来自于帮豪威代工传感器而来，目前已经开始量产，算是国内最早量产 3D IC 的企业。同时，该技术与前阵子轰动国内存储市场的长江存储“Xtacking”技术，是系出同门。

（来源：DT君）

孙鹏告诉 DT 君，3D IC 技术是 wafer-on-wafer 的接合技术，可以把不同性质和作用的芯片整合在一起，其三维集成技术平台的三片晶圆堆叠技术研发成功，该技术初期是用来帮传感器大客户代工，堆叠 Sensor 和 Logic 芯片，未来可以将不同的半导体元件堆叠在一起，如存储器、处理器、传感器、 3D NAND 芯片等。

孙鹏进一步解释，3D IC 与传统的 2.5D 芯片堆叠技术相比，晶圆级的三维集成技术能同时带宽增加，降低延时，并且有更高的性能与更低的功耗，武汉新芯 2013 年投入该技术时，发展类似技术的半导体厂不多，但现在该技术已是全球半导体产业趋势。

（来源：DT君）

武汉新芯是从 2012 年投入该技术的研发，2013 年成功将 3D IC 技术应用于背照式影像传感器，随后陆续开发硅通孔（TSV）堆叠技术、混合键合（Hybrid Bonding）技术和多片晶圆堆叠技术，而现在，3D IC 技术已经成功能为武汉新芯在 NOR Flash 、 MCU 之外的第三大技术平台。

孙鹏表示，3D IC 技术非常适合用在 AI 领域，可能是结合运算和存储芯片，或是各种客制化的需求，将存储和逻辑模块分开加工后再整合，难处在于一片晶圆上可能有一百万个连结点，技术难度十分高。

（来源：DT君）

NOR Flash 存储芯片重新定位，发展自有品牌

武汉新芯的第二条主轴是 NOR Flash 产品，过往都是做代工，但这一、二年公司策略转变，转型为部分经营自有品牌，部分开放代工，过往一些 NOR Flash 客户如北京兆易创新（GigaDevice）等，也因为武汉新芯的策略转变，转到中芯国际投单。

目前武汉新芯在 NOR Flash 产品上，消费类的产品以自己品牌为主，避免存储市场起落过大，要自己掌握适合的通路和客户，维持生意稳定度。再者，一些高端的车规客户如 Cypress 、 ISSI 等仍是采用代工模式。

第三条产品线是采用低功耗嵌入式闪存技术 embedded Flash MCU，技术来源是基于 SST 的嵌入式闪存工艺，双方合作始于 2015 年左右，目前也进入 55/50 纳米工艺，应用于物联网、智能卡等产品上，未来会是公司旗下很重要的产品线。

（来源：武汉新芯官网）

有句话是“人多的地方不要去”，现在放在国内发展半导体策略上，也十分值得借鉴。现在国际间都紧盯着国内半导体企业发展的一举一动，无论是知识产权的取得，以及技术来源是否合法合规，都被用放大镜检视着。

武汉新芯选择一条特殊的路径前进，无论是现在最火红的 3D IC 技术，或是既有的 NOR Flashe 和 embedded Flash，透过存储和逻辑双技术通吃，代工与 IDM 策略并行，以扎实的技术根基，以及广泛与国际大厂技术合作的背景，要走出一条迥异于其他半导体厂的主流之路。

更重要的是，武汉新芯这个历经风霜、身世坎坷的旧时世家贵公子，要藉由这次的大变身来重返荣耀，公司已经连续两年获利，最新目标要力拼成为紫光集团旗下下一个挂牌上市的转投资公司，进一步找回属于自己的荣耀，不用再被长江存储的“万丈光芒”掩盖过去！

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