儘管數字技術不斷滲透到商業、工業和休閒活動的各個領域，模擬積體電路(IC) 在全球半導體市場仍佔有一席之地。今年的收入預計將達到 850 億美元，相當於年複合增長率 10% 。推動這一需求的是人工智慧、物聯網技術和自動駕駛汽車的進步，所有這些都依賴於模擬 IC 來實現感測和電源管理等功能。與僅處理二進位制訊號的數字 IC 不同，模擬 IC 可以處理溫度和聲音等連續訊號，使其成為與物理環境互動的必需品。

著眼於這一不斷擴大的市場，兩家總部位於東京的公司——衝電氣工業株式會社和日清紡微裝置公司——已合作開發薄膜模擬積體電路。這些積體電路還可以垂直堆疊，兩家公司聲稱這有利於電子產品的小型化和一次整合更多積體電路。該技術還可以降低成本，並透過在更小的空間內實現更多功能或提高效能來增加功能。

日清紡生產工程助理經理 Toshihiro Ogata 表示：“我們生活在一個由聲音、光、溫度和壓力組成的模擬世界中。模擬 IC 連線物理世界和數字世界，處理自動駕駛汽車中的攝像頭和雷射雷達檢測到的連續物理訊號（例如光和距離） ，並將其轉換為數字資料以支援安全駕駛。”

薄膜 3D 模擬積體電路的開發涉及OKI 的晶體薄膜鍵合 (CFB) 工藝，可將模擬 IC 的功能薄膜層從基板上剝離。（具體工藝屬於商業機密。）然後將分離的層鍵合到由絕緣層（例如氧化矽）隔開的另一個模擬薄膜層上。鍵合是透過分子之間的吸引力實現的，這種現象稱為分子間鍵合。傳統的引線鍵合將堆疊的層電連線起來。

OKI CFB 開發部總經理 Kenichi Tanigawa 表示：“與我們的 CFB 堆疊相比，標準堆疊工藝通常使用 TSV（矽通孔，一種連線堆疊晶片的垂直佈線方法），並涉及先進的工藝和特殊裝置。”他表示，使用 TSV 佈線的堆疊中單個晶片的厚度範圍為數十到數百微米。“而在 CFB 堆疊中，每個晶片只有 5 到 10 [微米] 厚——這就是為什麼可以使用廣泛使用的傳統系統上的低成本傳統半導體光刻技術進行重新佈線的原因。”

CFB 堆疊還支援使用多種不同的3D 整合方法。一種簡單而巧妙的工藝使用相同的IC 設計，其接線焊盤沿一個邊緣排列。鋪設第一層後，每個後續 IC 層的尺寸都會略微縮小並旋轉 90 度，使先前較低層的接線焊盤暴露在外。此方法可用於連線最多四層 IC。

然而，由於堆疊的模擬 IC 非常薄，因此各層之間會發生串擾，從而導致訊號干擾、噪聲和 IC 效能下降。這正是日清紡利用其專有遮蔽技術發揮作用的地方。

日清紡的 Ogata 表示：“我們使用鋁作為採用傳統半導體工藝鋪設的遮蔽材料。”他解釋說，如果要遮蔽整個電路層，“就會產生很大的寄生電容”，即電路層之間會產生不必要的電荷儲存，從而干擾電路執行。“這是因為，與工作電壓低於 5 伏的數字 IC 不同，模擬 IC 可處理高達 20 或 30 伏的電壓，這會增加寄生電容。”

為了防止這種情況發生，遮蔽只應用於堆疊晶片之間發生干擾的關鍵區域，這些區域是日清紡根據其數十年的研究和模擬 IC 工作經驗確定的。Ogata 表示，這種定位可以減少訊號干擾，而不會影響電路功能。

兩家公司指出，薄膜 3D 模擬 IC 堆疊也可用於模擬和數字 IC 相結合的情況。這將使它們能夠用於晶片——可以組合起來建立更復雜裝置的模組化 IC。

Ogata 表示：“與大型單片裝置相比，小晶片具有多項優勢。”與將所有東西都塞進一塊大晶片不同，感測、處理和電源管理等不同功能可以分開處理。每個小晶片都可以針對其特定功能進行最佳化，從而降低成本。堆疊小晶片還可以減少空間需求，從而製造出更小的裝置。而且製造良率可能會更高，因為如果一個小晶片出現缺陷，可以在組裝前識別並更換小晶片。（而一塊大晶片出現缺陷則意味著必須丟棄整個晶片。）

然而，在這種先進的整合成為現實之前，公司可能仍會面臨一些挑戰。

蒙特利爾麥吉爾大學計算機與電氣工程教授Gordon Roberts表示：“小晶片方法對於下一代半導體制造非常重要。”儘管當今的小晶片已經允許某些元件（例如 CPU、GPU和記憶體）進行混合和匹配，但半導體發展的下一步將看到更多樣化的元件，例如模擬、電源和光學晶片，它們將使用創新的堆疊和互連技術無縫整合。

“能夠以低成本組裝各種元件的工藝是朝著正確方向邁出的一步，”Roberts 說道。“然而，由於該工藝使用減薄的半導體器件堆疊在通用基板上，因此問題在於減薄步驟會引入製造缺陷。”除了威脅制造產量外，裂縫等缺陷還有可能在測試過程中被忽略，從而導致可靠性問題。“因此，需要確定公司如何處理單個晶片並將其封裝在一起，”Roberts 說道。

OKI 和日清紡相信他們可以克服這些問題，並且已經計劃將他們的新方法投入商業應用。

OKI 的 Tanigawa 表示：“將我們的技術應用於小晶片技術意味著我們將能夠提供一系列不同的模擬 IC。而各種數字、模擬、光學和其他半導體裝置的異構整合將有助於未來開發新的半導體晶片。”他補充說，兩家公司已經開始基於其技術開發新產品，並計劃在 2026 年實現量產。

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