Stratistics MRC에 따르면 세계의 3D IC 시장은 2024년에 197억 3,000만 달러를 차지하며 예측 기간 중 CAGR 20.9%로 성장하며, 2030년에는 616억 2,000만 달러에 달할 전망입니다.
3D IC(3차원 집적회로)는 여러 반도체 소자 층을 수직으로 쌓아 성능과 기능을 향상시키는 최첨단 기술입니다. 단일 평면에 배치되는 기존 2차원 IC와 달리, 3D IC는 수직 상호연결을 통해 데이터 전송 속도를 높이고 신호 지연을 줄일 수 있으며, 3D IC는 활성 부품을 다층으로 적층하여 성능 향상과 면적 감소를 실현하여 최신 전자제품에 큰 이점을 제공합니다.
성장하는 데이터센터와 클라우드 컴퓨팅
데이터센터에서는 더 높은 성능과 에너지 효율에 대한 요구가 증가하고 있으며, 3D IC는 실리콘 웨이퍼를 다층으로 적층하고 컴포넌트를 더 가깝게 배치하여 설득력 있는 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 대기 시간을 줄이고 대역폭을 개선할 수 있습니다. 또한 3D IC는 이종 집적화를 통해 서로 다른 유형의 칩을 하나의 패키지에 결합하여 기능성과 전력 사용량을 최적화할 수 있습니다. 클라우드 컴퓨팅 서비스가 확대됨에 따라 확장 가능한 고성능 컴퓨팅 솔루션의 필요성이 3D IC 기술에 대한 투자와 혁신을 촉진하고 있습니다.
열 관리 문제
열 관리 문제는 3D 집적회로의 개발과 성능을 크게 저해하는 요인으로, 3D 아키텍처에서는 트랜지스터가 수직으로 적층되어 부품 밀도가 높아져 제한된 공간에서 더 많은 열을 발생시킵니다. 부적절한 열 관리는 과열, 신뢰성 저하 및 성능 저하로 이어질 수 있으므로 효과적인 열 방출이 중요합니다. 기존의 냉각 방식으로는 3D IC의 소형화에 대응할 수 없기 때문에 첨단 열 인터페이스 재료, 마이크로플루이딕스 냉각 시스템, 열전도 기술 강화와 같은 혁신적인 솔루션이 필요합니다.
차량용 용도에 대한 채택 증가
자동차가 자율주행, 인포테인먼트 시스템, 첨단운전자보조시스템(ADAS) 등의 기능을 위해 첨단 전자장비에 대한 의존도가 높아짐에 따라 소형 고성능 부품에 대한 수요가 증가하고 있으며, 3D IC 기술은 여러 개의 반도체 층을 수직으로 쌓아 올릴 수 있으며, 구현 면적을 줄이고 열 관리를 개선할 수 있습니다. 이러한 통합은 데이터 처리 속도를 높이고 전력 효율을 향상시켜 최신 자동차에 필요한 복잡한 계산에 필수적입니다.
규제 및 표준화의 과제
3D 집적회로(IC)의 발전은 규제와 표준화라는 큰 문제에 직면해 있으며, 3D IC 기술은 수직으로 적층된 다층 회로를 포함하고 있으므로 다양한 컴포넌트 간의 호환성과 상호 운용성을 보장하는 것이 매우 중요합니다. 현재 설계 방법, 제조 공정 및 테스트 프로토콜을 규정하는 보편적으로 인정되는 표준은 존재하지 않습니다. 그러나 이러한 불일치는 서로 다른 제조업체 간의 협력을 복잡하게 만들고, 비용 증가와 시장 출시 시간 지연으로 이어질 수 있습니다.
COVID-19 팬데믹은 3차원 집적회로(IC) 산업에 큰 영향을 미쳐 취약점과 기회를 모두 부각시켰습니다. 공급망의 혼란으로 인해 반도체 재료 및 부품 생산이 지연되어 비용이 증가하고 리드 타임이 길어졌습니다. 제조업체들이 인력 부족과 공장 가동 중단으로 어려움을 겪고 있는 가운데, 소형 폼팩터에서 성능을 향상시킬 수 있는 3D IC와 같은 첨단 포장 솔루션에 대한 시급성이 더욱 두드러졌습니다. 팬데믹 기간 중 원격 근무와 디지털 서비스가 급증하면서 첨단 반도체 기술에 의존하는 고성능 컴퓨팅과 데이터센터에 대한 수요가 급증했습니다.
예측 기간 중 실리콘 관통 전극(TSV) 부문이 가장 큰 비중을 차지할 것으로 예상됩니다.
관통전극(TSV) 부문은 여러 개의 반도체 다이를 수직으로 상호 연결할 수 있게 함으로써 예측 기간 중 가장 큰 성장세를 보일 것으로 예상됩니다. TSV는 더 높은 데이터 전송 속도와 대역폭을 구현하고 고성능 컴퓨팅, 그래픽 처리, 첨단 모바일 기기 등 고속 통신이 필요한 용도에 필수적인 요소로, TSV는 컴팩트한 설계를 가능하게 하고 신호 이동 거리를 크게 줄여 성능과 에너지 효율을 향상시킵니다. 등 고속 통신을 필요로 하는 용도에 필수적입니다. 또한 TSV를 이용한 칩의 3D 적층은 공간 최적화를 통해 더 작은 실적로 더 많은 기능을 구현할 수 있습니다.
예측 기간 중 가장 높은 CAGR을 나타낼 것으로 예상되는 분야는 자동차 분야입니다.
자동차의 첨단 전자 기능, 성능 향상 및 소형화에 대한 요구가 증가함에 따라 자동차 분야는 예측 기간 중 가장 높은 CAGR을 보일 것으로 예상되며, 3D IC는 여러 회로 층을 수직으로 쌓을 수 있으며, 공간 효율성과 전력 관리를 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 기술은 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템), 인포테인먼트, 전기자동차(EV) 관리와 같은 용도에 필수적인 감지, 처리, 통신과 같은 다양한 기능을 하나의 소형 패키지에 쉽게 통합할 수 있도록 합니다. 또한 3D IC는 자율주행 시스템에서 실시간 데이터 처리 및 의사결정에 필수적인 높은 대역폭과 낮은 지연을 구현할 수 있습니다.
북미는 하나의 칩에 메모리와 프로세싱 기능을 매끄럽게 결합할 수 있으므로 예측 기간 중 이 시장에서 가장 큰 점유율을 차지할 것으로 예상됩니다. 로직 부품 위에 메모리를 직접 적층함으로써 제조업체는 소형 설계를 유지하면서 더 높은 대역폭과 밀도를 달성할 수 있습니다. 북미가 반도체 기술 개발을 주도하고 있는 가운데, 메모리와 로직의 통합에 초점을 맞추면서 기술 대기업과 스타트업 간의 협업을 촉진하고 더 많은 진전을 이룰 수 있을 것으로 예상됩니다. 이러한 발전은 전자기기의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 이 지역이 세계 반도체 기술 혁신의 최전선에 위치하여 빠르게 발전하는 기술 환경에서 경쟁력을 유지할 수 있도록 보장합니다.
유럽은 예측 기간 중 수익성 높은 성장세를 유지할 것으로 예상됩니다. 안전, 환경 영향 및 성능에 대한 엄격한 기준을 설정함으로써 이러한 규제는 3D IC 기술 혁신이 보다 광범위한 지속가능성 목표에 부합하도록 보장합니다. 이는 소비자와 업계 이해관계자의 신뢰를 구축할 뿐만 아니라 연구개발에 대한 투자를 촉진할 것입니다. 표준화에 대한 강조는 장비 간 상호 운용성을 높이고, 보다 효율적인 제조 공정을 위한 길을 열어주며, 신제품 시장 출시 시간을 단축할 수 있습니다. 유럽 정부도 디지털 주권을 우선시하기 위해 반도체 분야의 현지 생산과 기술 혁신에 대한 인센티브를 제공하여 이 지역이 세계 경쟁력을 유지할 수 있도록 지원하고 있습니다.
According to Stratistics MRC, the Global 3D IC Market is accounted for $19.73 billion in 2024 and is expected to reach $61.62 billion by 2030 growing at a CAGR of 20.9% during the forecast period. A 3D IC, or three-dimensional integrated circuit, is a cutting-edge technology that stacks multiple layers of semiconductor devices vertically to enhance performance and functionality. Unlike traditional 2D ICs, which are laid out on a single plane, 3D ICs utilize vertical interconnections, enabling faster data transfer and reduced signal delay. Three-dimensional integrated circuits (3D ICs) offer significant advantages in modern electronics by stacking multiple layers of active components, leading to enhanced performance and reduced footprint.
Growing data centers and cloud computing
As the demand for higher performance and energy efficiency escalates in data centers, 3D ICs provide a compelling solution by stacking multiple layers of silicon wafers, enabling closer proximity of components. This reduces latency and improves bandwidth, crucial for handling massive data loads efficiently. Additionally, 3D ICs allow for heterogeneous integration, where different types of chips can be combined in a single package, optimizing functionality and power usage. As cloud computing services expand, the need for scalable, high-performance computing solutions drives investment and innovation in 3D IC technology.
Thermal management issues
Thermal management issues significantly hinder the development and performance of 3D integrated circuits. As transistors are stacked vertically in 3D architectures, the density of components increases, leading to higher heat generation in a confined space. Effective heat dissipation becomes critical, as inadequate thermal management can result in overheating, reduced reliability and lower performance. Traditional cooling methods may not be sufficient for the compactness of 3D ICs, necessitating innovative solutions such as advanced thermal interface materials, microfluidic cooling systems, or enhanced thermal conduction techniques.
Rising adoption in automotive applications
As vehicles become increasingly reliant on advanced electronics for features like autonomous driving, infotainment systems, and advanced driver-assistance systems (ADAS), the demand for compact and high-performance components grows. 3D IC technology allows for vertical stacking of multiple semiconductor layers, reducing the footprint and improving thermal management. This integration leads to faster data processing and improved power efficiency, essential for the complex computations required in modern vehicles.
Regulatory and standardization challenges
The advancement of 3D integrated circuits (ICs) faces significant regulatory and standardization challenges that hinder their widespread adoption. As 3D IC technology incorporates multiple layers of circuitry stacked vertically, ensuring compatibility and interoperability among various components is crucial. Currently, there is a lack of universally accepted standards governing design methodologies, manufacturing processes, and testing protocols. However, this inconsistency complicates collaboration among different manufacturers and can lead to increased costs and time-to-market delays.
The COVID-19 pandemic significantly impacted the 3D integrated circuit (IC) industry, highlighting both vulnerabilities and opportunities. Supply chain disruptions caused delays in the production of semiconductor materials and components, leading to increased costs and longer lead times. As manufacturers grappled with labor shortages and factory shutdowns, the urgency for advanced packaging solutions like 3D ICs became more pronounced, given their potential for enhanced performance in compact form factors. The surge in remote work and digital services during the pandemic accelerated demand for high-performance computing and data centers, which rely on advanced semiconductor technologies.
The Through-Silicon Via (TSV) segment is expected to be the largest during the forecast period
Through-Silicon Via (TSV) segment is expected to be the largest during the forecast period by enabling vertical interconnections between multiple semiconductor dies. This innovative approach allows for a compact design, significantly reducing the distance that signals must travel, thereby improving performance and energy efficiency. TSVs facilitate higher data transfer rates and bandwidth, crucial for applications demanding rapid communication, such as high-performance computing, graphics processing and advanced mobile devices. Additionally, the 3D stacking of chips with TSVs optimizes space, allowing for more functionality within a smaller footprint.
The Automotive segment is expected to have the highest CAGR during the forecast period
Automotive segment is expected to have the highest CAGR during the forecast period due to the growing demands for advanced electronic features, enhanced performance and miniaturization in vehicles. 3D ICs allow for multiple layers of circuitry to be stacked vertically, significantly improving space efficiency and power management. This technology facilitates the integration of various functions-such as sensing, processing and communication-within a single compact package, which is crucial for applications like advanced driver-assistance systems (ADAS), infotainment, and electric vehicle (EV) management. Moreover, 3D ICs contribute to higher bandwidth and lower latency, essential for real-time data processing and decision-making in autonomous driving systems.
North America region is anticipated to command the largest share of the market over the extrapolated period by enabling the seamless combination of memory and processing functions within a single chip. By stacking memory directly on top of logic components, manufacturers can achieve higher bandwidth and density while maintaining compact designs. As North America continues to lead in semiconductor technology development, the focus on Memory and Logic Integration will drive further advancements, fostering collaboration between tech giants and startups. This evolution not only enhances the performance of electronic devices but also positions the region at the forefront of global semiconductor innovation, ensuring it remains competitive in a rapidly advancing technological landscape.
Europe region is poised to hold profitable growth during the projected period. By establishing stringent standards for safety, environmental impact, and performance, these regulations ensure that innovations in 3D IC technology align with broader sustainability goals. This not only fosters trust among consumers and industry stakeholders but also encourages investment in research and development. The emphasis on standardization enhances interoperability among devices, paving the way for more efficient manufacturing processes and reduced time-to-market for new products. As European governments also prioritize digital sovereignty, they incentivize local production and innovation in the semiconductor sector, ensuring that the region remains competitive on a global scale.
Key players in the market
Some of the key players in 3D IC market include ASE Group, Infineon Technologies, Intel Corporation, Keyence Corporation, NXP Semiconductors, Qualcomm Incorporated, Renesas Electronics, Siliconware Precision Industries, Synopsys and United Microelectronics Corporation.
In November 2023, Samsung Electronics is gearing up to introduce a new advanced 3D chip packaging technology named SAINT in a bid to viral Taiwan semiconductor manufacturing company's market dominance.
In February 2023, Cadence and UMC collaborated on a hybrid bonding reference flow for 3D-ICs. UMC intends to launch hybrid bonding solutions that are suitable for edge AI, image processing, and wireless communication across a broad range of technology nodes.
In October 2022, TSMC's 3DFabricTM offerings, including the integrated fan-out (InFO), chip-on-wafer-on-substrate (TSMC-SoICTM), and system-on-integrated chips (TSMC-SoICTM), have been certified by the leading Cadence(R) IntegrityTM 3D-IC platform and have met all reference design flow criteria. Cadence supports TSMC 3DbloxTM as part of the collaboration to accelerate the development of advanced multi-die packages for 5G, artificial intelligence, mobile, and hyperscale computing.
In March 2022, Amkor Technology, a company based in South Korea teamed up with the TSMC OIP 3D Fabric. With a first chance to use TSMC's 3D Fabric tech, new partners of the 3D Fabric Alliance can move their products forward at the same time as TSMC.