3-D TSV：重要課題に関する洞察と市場分析

イントロダクション

半導体産業のTSV先進パッケージング部門は、電子機器向けのより高い演算能力と効率に対する需要の拡大に後押しされ、現在急速な進化と拡大を遂げています。以下は、いくつかの重要な側面と洞察です：

先進パッケージングにおける技術革新：RDL (再配線層)、TSV (シリコン貫通電極)、バンプ技術、ハイブリッドボンディングは先進パッケージング技術の最前線にあります。いずれも、接続効率の向上と消費電力の削減によってチップの性能を高める上で重要な役割を果たしています。

これらの技術は、従来の微細化手法に見られる物理的限界、特に量子トンネル効果に対処するものです。研究開発コストが高く歩留まり率が低いため、さらなる微細化は現実的ではありません。

計算能力への影響：先進パッケージングは、プロセッサの集積度を高め、プロセスメモリ接続の帯域幅と効率を向上させることで、演算能力を大幅に向上させます。これは、「メモリの壁」や「消費電力の壁」を克服し、AIや機械学習モデルなど、より高度な演算用途を実現するために不可欠です。

需要と供給のダイナミクス：先進パッケージングの需要は供給を上回っており、その一因として、AI用途のコンピューティング要件が爆発的に増加していることが挙げられます。NvidiaやTSMCのような大手企業は、この需要を満たすのに苦戦しており、生産能力の大幅なボトルネックを示しています。

この供給不足は、技術進歩と市場ニーズに対応するため、先進パッケージング能力の拡大が急務であることを浮き彫りにしています。

市場障壁と業界の動向：製造工程に複雑さと精密さが要求されるため、先進パッケージング市場の参入障壁は高く、包括的な製造・設計能力を有する既存企業が有利です。

世界の大手企業は生産能力を拡張していますが、拡大サイクルの長さと設備不足が課題となっています。このような状況は、各地域の国内企業が発展を加速させ、市場シェアを獲得する可能性を広げるチャンスとなっています。

将来展望：今後の半導体産業の成長には、生産能力拡大のための継続的な努力と、新材料・新技術の積極的な研究開発が不可欠です。

国内企業、特に半導体産業に対する政府の強力な支援がある地域の企業は、「国内代替」のために現在の市場力学を活用し、国際的なサプライヤーへの依存を減らすまたとない機会を得ています。

当レポートについて

当レポートでは、3Dおよび2.5D TSV技術の極めて重要な役割に焦点を当て、半導体パッケージングにおけるTSV (Through-Silicon Via) の開発・展開の中心となる技術動向を包括的に検証しています。当レポートでは特に、Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS) やFeverosなど、3Dや2.5D TSVを組み込んだ先進パッケージングソリューションの詳細についてちょうさしています。

これらの先進パッケージング技術は、半導体の性能と効率の限界を押し広げつつあります。例えばCoWoSは、種類の異なるチップを垂直に積み重ねることで高密度集積を可能にし、性能の大幅な向上と消費電力の削減を実現します。これは、データセンターやAI処理など、高い計算能力を必要とする活用領域に特に有益です。

当レポートでは、これらの技術が、より広い帯域幅、待ち時間の短縮、エネルギー消費の低減といった業界の重要な課題にどのように対応しているかについて掘り下げています。また、従来のスケーリング法則の限界を克服し、ムーアの法則に沿った半導体デバイスの継続的な進化を可能にする、これらの先進パッケージング手法の戦略的重要性を強調しています。

さらに、HPC (高性能計算) や民生用電子機器、車載システムへの適用により、3Dおよび2.5D TSVソリューションに対する需要の高まりを反映した市場概要を分析しています。当レポートは競合情勢を強調し、このような新たなビジネスチャンスを生かすために業界の主要企業が採用している技術進歩や戦略に焦点を当てています。

目次

第1章 イントロダクション

第2章 重要な課題への洞察

• 3D TSVの促進要因
• TSVを使用した3D ICの利点
• コスト効率の高い3Dダイスタッキング技術の要件
• TSV技術の課題
• TSVサプライチェーンの課題
• 3Dパッケージ技術の限界
  • 熱管理
  • 費用
  • 設計の複雑さ
  • 納品までの時間

第3章 コスト構造

• 3Dチップスタックのコスト構造
• 所有コスト

第4章 重要な処理技術

• イントロダクション
• 銅メッキ
• リソグラフィー
  • 光リソグラフィー
  • インプリントリソグラフィー
  • レジストコーティング
• プラズマエッチング技術
• 剥離/洗浄
• 薄型ウエハー接合
• ウエハー薄化/CMP
• スタッキング
• 計測/検査

第5章 重要な開発セグメントの評価

• イントロダクション
• Via-First
  • 機器要件
  • 材料要件
• Via-Middle
  • 機器要件
  • 材料要件
• Via-Last
  • 機器要件
  • 材料要件
• インターポーザー

第6章 参入企業のプロファイル

• チップメーカー/パッケージング業者/サービス
• 機器サプライヤー
• 材料サプライヤー
• 研究開発

第7章 市場分析

• TSV装置のロードマップ
• TSV装置の予測
• 設備予測
• 材料予測

List of Tables

• 1.1. 3-D Mass Memory Volume Comparison Between Other Technologies And TI's 3-D Technology
• 1.2. 3-D Mass Memory Weight Comparison Between Other Technologies And TI's 3-D Technology
• 3.1. Cost Of Ownership Comparison
• 4.1. Via Middle Metrology/Inspection Requirements
• 4.2. Via Last Metrology/Inspection Requirements
• 7.1. Forecast Of TSV Devices By Units
• 7.2. Forecast Of TSV Devices By Wafers
• 7.3. Forecast Of TSV Equipment by Type

List of Figures

• 1.1. 3-D Technology On Dram Density
• 1.2. 3-D Through-Silicon Via (TSV)
• 1.3. Graphical Illustration Of The Silicon Efficiency Between MCMs And 3-D Technology
• 1.4. Silicon Efficiency Comparison Between 3D Packaging Technology and Other Conventional Packaging Technologies
• 2.1. TSV Fabrication Process Challenges
• 2.2. TSV Fabrication Process Challenge - Cu Protrusion
• 2.3. TSV Reliability Challenges
• 2.4. Via Middle Process Integration Challenges
• 2.5. Via Middle Process Integration Challenges
• 3.1. Cost Structure of D2W and W2W
• 3.2. Assembly Cost Analysis
• 3.2. Cost Structure Of Different Vias And Tools
• 3.3. Cost Of Ownership For 5 X 50 TSV VIA Middle
• 3.4. Cost Of CMP For TSV VIA Middle Process
• 3.5. Cost Of Ownership For 10 X 100 TSV Via Middle
• 3.6. Cost Structure Of TSVs 5 X 50 micrometerm
• 3.7. Interposer TSV: Upscaling To 10 X 100 micrometerm
• 3.8. TSV Downscaling To 3x50 micrometerm
• 3.9. Cost Structure Of Different Vias And Tools
• 3.10. Via First Cost Of Ownership
• 3.11. Via First Cost Of Ownership Front And Back Side
• 3.12. Via First Process Flow
• 3.13. iTSV Versus pTSV Cost Of Ownership
• 3.14. Effect Of TSV Depth And Diameter On Cost
• 4.1. Illustration Of Bosch Process
• 4.2. Key Via Middle TSV Process Steps
• 4.3. Key Last TSC Process Steps
• 5.1. VIA First, Middle, And Last Process Flows
• 5,2. VIA First TSV Process Flow
• 5.3. VIA Middle TSV Process Flow
• 5.4. Soft Reveal Process
• 5.5. VIA Last TSV Process Flow
• 5.6. Comparison Between 2.5D And 3D
• 5.7. TSV Interposer Cross Sectional Schematic With RDL Layer
• 5.8. Process Flow For RDL And UBM
• 7.1. Leading Edge TSV Roadmap
• 7.2. Forecast Of TSV Devices By Units
• 7.3. Forecast Of TSV Devices By Wafers
• 7.4. Forecast Of TSV Equipment by Type
• 7.5. Forecast Of TSV Materials

Introduction

The TSV advanced packaging sector of the semiconductor industry is currently undergoing rapid evolution and expansion, driven by the increasing demand for higher computing power and efficiency in electronic devices. Here are some critical insights and implications based on the information provided:

Technological Innovations in Advanced Packaging: Redistribution Layer (RDL), Through-Silicon Via (TSV), Bump Technology, and Hybrid Bonding are at the forefront of advanced packaging technologies. Each plays a crucial role in enhancing chip performance by improving connection efficiency and reducing power consumption.

These technologies address the physical limitations encountered with traditional scaling methods, notably the quantum tunneling effect, which makes further miniaturization impractical due to high R&D costs and low yield rates.

Impact on Computing Power: Advanced packaging significantly boosts computing power by increasing processor integration and enhancing the bandwidth and efficiency of processormemory connections. This is critical for overcoming the "memory wall" and "power consumption wall," enabling more sophisticated computing applications, including AI and machine learning models.

Supply and Demand Dynamics: The demand for advanced packaging is outstripping supply, partly due to the explosive growth in computing requirements for AI applications. Leading companies like Nvidia and TSMC are struggling to meet this demand, indicating a significant bottleneck in production capacity.

This supply shortage highlights the urgency for expanding advanced packaging capabilities to keep pace with technological advancements and market needs.

Market Barriers and Industry Dynamics: The high barriers to entry in the advanced packaging market, due to the complexity and precision required in manufacturing processes, favor established players with comprehensive fabrication and design capabilities.

While leading global companies are expanding their capacities, the lengthy expansion cycle and equipment shortages present challenges. This situation opens opportunities for domestic companies in various regions to accelerate their development and potentially gain market share.

Future Outlook: The ongoing efforts to expand production capabilities and the active R&D in new materials and techniques are essential for the future growth of the semiconductor industry.

Domestic companies, especially in regions with strong government support for the semiconductor industry, have a unique opportunity to leverage the current market dynamics for "domestic substitution" and reduce reliance on international suppliers.

About This Report

This 175-page report covers the following:

The "3-D TSV: Insight On Critical Issues and Market Analysis" report covers a comprehensive examination of technology trends that are central to the development and deployment of Through-Silicon Via (TSV) in semiconductor packaging, focusing on the pivotal role of 3D and 2.5D TSV technologies. A key highlight of the report is the detailed exploration of advanced packaging solutions that incorporate 3D or 2.5D TSV, such as Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS) and Feveros.

These advanced packaging technologies are pushing the boundaries of semiconductor performance and efficiency. CoWoS, for instance, enables high-density integration of heterogeneous chips by stacking them vertically, significantly improving performance and reducing power consumption. This is particularly beneficial for applications requiring high computational power, like data centers and AI processing. Feveros, although not detailed in your initial information, can be inferred as another innovative packaging solution leveraging 3D or 2.5D TSV technologies to meet the growing demands for faster, more efficient computing across various sectors.

The report delves into how these technologies address critical industry challenges, including the need for greater bandwidth, reduced latency, and lower energy consumption. It emphasizes the strategic importance of these advanced packaging methods in overcoming the limitations of traditional scaling laws, thus enabling the continued evolution of semiconductor devices in line with Moore's Law.

Moreover, the analysis presents a market overview that reflects the growing demand for 3D and 2.5D TSV solutions, driven by their application in high-performance computing, consumer electronics, and automotive systems. The report underscores the competitive landscape, highlighting the technological advancements and strategies employed by key industry players to capitalize on these emerging opportunities.

Table of Contents

Chapter 1. Introduction

Chapter 2. Insight Into Critical Issues

• 2.1. Driving Forces In 3-D TSV
• 2.2. Benefits of 3-D ICs With TSVs
• 2.3. Requirements For A Cost Effective 3-D Die Stacking Technology
• 2.4. TSV Technology Challenges
• 2.5. TSV Supply Chain Challenge
• 2.6. Limitations of 3-D Packaging Technology
  • 2.6.1. Thermal Management
  • 2.6.2. Cost
  • 2.6.3. Design Complexity
  • 2.6.4. Time to Delivery

Chapter 3. Cost Structure

• 3.1. Cost Structure of 3-D chip Stacks
• 3.2. Cost of Ownership

Chapter 4. Critical Processing Technologies

• 4.1. Introduction
• 4.2. Cu Plating
• 4.3. Lithography
  • 4.3.1. Optical Lithography
  • 4.3.2. Imprint Lithography
  • 4.3.3. Resist Coat
• 4.4. Plasma Etch Technology
• 4.5. Stripping/Cleaning
• 4.6. Thin Wafer Bonding
• 4.7. Wafer Thinning/CMP
• 4.8. Stacking
• 4.9. Metrology/Inspection

Chapter 5. Evaluation Of Critical Development Segments

• 5.1. Introduction
• 5.2. Via-first
  • 5.2.1. Equipment Requirements
  • 5.2.2. Material Requirements
• 5.3. Via-Middle
  • 5.3.1. Equipment Requirements
  • 5.3.2. Material Requirements
• 5.4. Via-Last
  • 5.4.1. Equipment Requirements
  • 5.4.2. Material Requirements
• 5.5. Interposers

Chapter 6. Profiles Of Participants

• 6.1. Chip Manufacturers/Packaging Houses/Services
• 6.2. Equipment Suppliers
• 6.3. Material Suppliers
• 6.4. R&D

Chapter 7. Market Analysis

• 7.1. TSV Device Roadmap
• 7.2. TSV Device Forecast
• 7.3. Equipment Forecast
• 7.4. Material Forecast