从封装发展趋势***LED照明“达芬奇密码”

      “***三维集成电路(3D-IC)的达芬奇密码”?这听起来像是悬疑电影或小说的名字，但这其实是我在最近几次在由IEEE电子元件封装及制造技术学会(IEEE-CPMT)主办的会议和专题报告中所演讲的题目，也体现了我对三维集成电路的看法。通过图一的帮助，我将尝试把我的想法展现给大家。

 

      从电子器件的发展初期开始，先看两张具有重大里程碑意义的图(左上角)，从上到下展示的分别是世上第一个点接触型半导体晶体管(1947，威廉·肖克利，沃特·布拉顿，约翰·巴丁)和第一个集成电路(1958，杰克·基尔比)。左边的第三幅图是摩尔定律原始的示意图(1965，戈登·摩尔)，第四幅展示的是基于中央处理器(CPU)实际情况作出修改后的摩尔定律(1961-2011，因特尔)。

 

      在过去的四十多年里，微电子技术的发展基本上都在稳定的地按照摩尔定律在进行。

 

      在世纪之交，一些新的概念开始推陈出新。在左下角的“小飞象”作为新兴的突破性技术的代表飞起来跨过了投影片，到达右上角这幅著名的“持续摩尔定律(More Moore)”和“超越摩尔定律( More than Moore )”的国际半导体技术发展路线图(ITRS)。红色的纵坐标指的是持续不断的 “微型化”(Miniaturization)，蓝色的横坐标展现的是“集成”(integration)的发展趋势。我有意地在投影片中将前者大写，实际是为下文做铺垫。

 

      使“超越摩尔定律”成为可能的有好几种关键技术。在这些技术中要数硅通孔技术(TSV)是大家最熟悉的，投影片中右下角的图正诠释了这项技术。过去几年，硅通孔的概念已经被扩展到“玻璃导通孔(TGV)”和“塑封导通孔(TMV)”，分别如硅通孔技术示意图上的两图所示。随后，有人提议把“TSV”归纳成“TxV”，在此“x”代表不同的材料。

 

      在我看来，只有低成本高效益的技术才是成功的技术，所以我建议把这个术语修改为“T$V”(我想所有人都明白“$”是什么意思)，就像投影片正上方所描述的那样。

 

      关键的一步来了。我们可以把“微型化(Miniaturization)”中的第一个字母和“集成(integration)”的第一个字母拿出来放在一起组成“Mi”。在音阶中，“Mi”是在“Do”和“Re”之后的第三个音符，换句话说，“Mi”代表“3”。然后，“T$V”中美元(Dollar)的符号“$”可以从投影片上面掉到“3”后面，用首字母D代替。这就是我如何从“摩尔定律”、“持续摩尔定律”和“超越摩尔定律”中演绎出“三维(3D)”来的。

为了能使大家都明白这个推论是怎样来的，我会问大家“都看懂了吗?(Did you see that?)”，大家肯定会回答“懂了。(I see.)”否则我会不厌其烦一遍遍地演示，直到你由衷地说“懂了(I see 谐音IC——集成电路)”如果仍不得要领，你也可以把“IC”看成是“IEEE-CPMT(国际电气与电子工程师学会——电子元件封装及制造技术学会)”的首字母缩写。

 

      我就是这样从封装发展趋势方面***了“三维集成电路(3D-IC)”的达芬奇密码的。

 

      证明完毕。

 

      “摩尔定律”、“微型化”和“集成”给了我灵感去***“三维集成电路”的达芬奇密码，在此，我想乘胜追击，推广一个可以被看作是“MOOREfication(摩尔化)”变体的新术语“LEDification(LED化)”。

 

      发光二级管(LED)是一个在正向电压下p-n结能释放出光子的半导体器件，这也是为什么LED 被称为“固态照明”(或“半导体照明”)光源的原因。尽管人们在20世纪初期就发现了电致发光效应，但直到1960年代LED才得到产业化发展。在新世纪来临之前，因为还没做出全彩色光谱的LED，而且LED的光通量还处于低水平，当时的LED主要的用途便局限于信号和显示。

 

      与集成电路(IC)的历程相仿，经过20年的发展，LED取得了令人震惊的成绩。高功率蓝光LED和荧光粉材料在1990年代所取得的实质性进步，实现了由蓝光LED叠加黄色荧光粉产生白光的LED，并使得半导体通用照明在21世纪初成为可能。

 

      在2000年的“照明技术策略展览会(Strategies in Light 2000)”上，安捷伦科技的罗兰·海兹博士与大家分享了他对LED的观察结果并预测：在一个给定的波长(颜色)，LED的发光性能每10年可提高20倍，而每单位流明的成本则会每10年降为原来的10分之一。这两种趋势可以用图二表示。

 

      从那时起，海兹博士的预测则被尊为“海兹定律”而且被认为是LED的“摩尔定律”。最近几年，商业化的固态照明产品已经开始走进全球的消费者市场。现在，人们轻易就可以在美国的办公用品店甚至是台湾的7-11连锁便利店里买到LED灯!

 

      著名的摇滚乐队红辣椒(Red Hot Chili Peppers)在1991年发行了一张专辑，其中的一首“Californication (加州化)”成为了热门单曲。2007年，在美国Showtime电视台开播的一套现实情境连续剧也被命名为“Californication”。在《现代词典》(Urban Dictionary)中，“Californication”指的是主题或对象被具有加州特色的风气潜移默化的过程。

 

      在我看来，在“MOOREfication(摩尔化)”正不断地探索摩尔定律的底线时(22纳米及以下)，“LEDification (LED化)”已经开始潜伏发酵。除了中国奥运会和世博会这些赫赫有名的大项目，越来越多的LED运用产品出现在人们的日常生活中。典型的例子就包括LED背光电视/显示器、LED路灯、LED车头灯等等。

 

      无论你相信与否，我曾经在下榻的酒店里看到过安装LED作夜间照明之用的马桶!(请看图三)下次坐飞机的时候，也许你就会不由自主地去留意机舱和卫生间安装的是不是LED灯!

 

      尽管LED的创新应用越来越多，但固态照明的发展之路并非一帆风顺。在过去的18个月中，许多LED企业都遭遇了十分严重的财政困难。经济大环境不景气只是困难的原因之一，但供求之间的不平衡也导致这些企业举步维艰。

 

      也许你也留意到我前文所举的都不是家用LED的例子，把LED带进千家万户最大的障碍就在启动成本太高。在目前LED灯(相当于60W白炽灯)的每盏零售价超过15美元的情况下，说服普罗大众把固态照明引进家中的难度极大。

 

      然而，因为白炽灯效率低、能耗大，世界主要的国家已经在制定、执行相关政策来禁止白炽灯的生产和安装。预期到2018年，主要的传统灯泡就会被替换掉。随着政府的节能政策和“拥有成本”(Cost of Ownership)观念的推广，从2015年开始人们将会更乐意接受固态照明。

 

      有些产业报告预测，到2020年，LED在通用照明市场的渗透份额将达到80%。我本人也对固态照明巨大的市场潜力深信不疑。