グローバル3Dスタッキング市場：相互接続技術（3Dハイブリッドボンディング、3D TSV、モノリシック3Dインテグレーション）、デバイスタイプ（メモリデバイス、MEMS/センサー、LED、産業用およびIoTデバイス、自動車用電子機器）、方法（TSV、インターコネクト）別の情報

市場概況

世界の 3D スタッキング市場規模は2023 年に 13 億米ドルと評価され、 2032 年までに 72 億米ドルに達すると予測されており、予測期間 (2024 年～ 2032 年) 中に20.8% の CAGRを記録します。業界全体で半導体アプリケーションが急速に普及し、最新の電子機器が自動車業界に統合されているため、3D スタッキング市場のシェアは大きな見通しがあります。

3D スタッキング (3 次元スタッキング) は、多数の集積回路 (IC) チップまたはダイを垂直に積み重ねて 1 つの統合デバイスを作成する半導体パッケージング技術です。この方法は、IC チップを単一の平面上に並べて配置する標準的な 2D パッケージング手法とは異なります。

電子機器の小型化が進むことは、市場の成長を牽引する主な要因の 1 つです。3D スタッキング技術により、パフォーマンスを維持しながら、電子製品をより小型でポータブルにすることができます。たとえば、より小型で軽量な高密度メモリ チップの開発に貢献しています。3D スタッキング技術は、より小型で軽量な高性能コンピューターの設計にも利用できます。より小型で強力な半導体チップの開発により、埋め込み型心臓モニターやペースメーカーなどの新しい医療機器が生まれました。これらの機器は、患者の快適さを維持しながらバイタル サインを監視および調整するために埋め込まれます。

ハイライト

• 3Dハイブリッドボンディングは、相互接続技術によって市場で最大のシェアを占めています。
• デバイスタイプ別では、LED が最も高い収益シェアを生み出します。
• TSV は市場で最も一般的に使用されている方法です。
• エンドユーザー別では自動車用電子機器が市場をリードしました。

市場動向

世界の3Dスタッキング市場の推進要因

電子機器の小型化

電子機器の小型化、コンパクト化が進む中、小さなフットプリントで高度な統合を可能にする半導体パッケージングソリューションの需要が高まっています。3Dスタッキングにより、チップを垂直に積み重ねることができるため、機器全体のフットプリントが縮小し、より小型で薄型の製品の開発が促進されます。International Figures Corporation (IDC) Worldwide Quarterly Mobile Phone Trackerの暫定データによると、2024年第1四半期のスマートフォンの世界出荷台数は前年比7.8%増の2億8,940万台となりました。多くの地域でマクロ経済の逆風が続いているため、業界が完全に危機を脱したわけではありませんが、これは3四半期連続の出荷増加であり、回復が順調に始まっていることを示しています。スマートフォンメーカーが追加機能を備えた新モデルをリリースし続けるため、小型化と性能向上を可能にする3Dスタッキングソリューションの需要は高いままになると予測されます。

同様に、メーカー各社がより小型で薄い端末により多くの機能を詰め込もうと努力する中で、スマートフォンも長年にわたって大幅な小型化が進んでいます。これを実現するために、スマートフォンメーカーはプロセッサ、メモリ、センサーなどの複数のコンポーネントを小さなフォームファクタに統合する 3D スタッキング技術をますます多く採用しています。サムスン電子は、Exynos モバイル アプリケーション プロセッサ (AP) に 3D チップセット技術を組み込むことを検討しています。

さらに、トランジスタの小型化、相互接続の改善、より効果的なパッケージング技術などの半導体製造技術の進歩により、3Dスタックデバイスの統合度とパフォーマンスが向上しました。韓国の半導体部門は2023年に成長し、11月のチップ生産量は前年比42％増加しました。同国の半導体収益は2023年12月に22％増加して100億ドルを超え、過去最大の月間収益を記録しました。これは、IT業界とメモリチップの価格の回復によるものです。

世界の3Dスタッキング市場の制約

複雑さとコスト

3D スタッキング技術の導入には、高度な製造手順と特殊な設備、材料、知識が必要です。3D スタッキング製造施設の初期設定費用は高額になる可能性があり、小規模な企業が市場に参入する妨げとなります。さらに、3D スタッキングの材料と製造手順のコストは、標準的な 2D パッケージング方法よりも高くなる可能性があり、一部の企業にとって導入の障壁となります。たとえば、3D チップ スタック技術のシステムあたりのコストは、約 3,000 米ドルになります。

台湾セミコンダクター・マニュファクチャリング・カンパニー（TSMC）は、2023年7月に、生成型人工知能向け高性能半導体のパッケージングを扱う台湾の先進チップパッケージング工場に28億7000万米ドルを投資すると発表しました。TSMCの3DFabricテクノロジーは、TSMCのシリコン製造技術を3Dシリコンスタッキングに活用するTSMC-SoIC（System on Integrated Chips）などのフロントエンドテクノロジーで構成されています。これらの投資は、3Dスタッキングの製造方法の開発と拡大に不可欠ですが、多額の資金投入も必要です。

さらに、3D ウェーハレベル パッケージング (WLP) テクノロジは、TSV 製造とダイ スタッキングに必要な追加のプロセス ステップ、材料、および機器のため、2D WLP テクノロジよりも 10 ～ 30% 高くなると予想されています。製造プロセスの進歩と規模の経済により 3D スタッキング テクノロジのコストは低下していますが、従来の 2D パッケージング方法よりも依然として高く、一部の業界では採用の障壁となっています。

グローバル 3D スタッキング市場の機会

自動車とIoTにおける新たなアプリケーション

自動車ビジネスは、電動化、自動運転車、ネットワーク化のトレンドにより急速に変化しています。電気自動車 (EV) のバッテリー管理、パワーエレクトロニクス、モーター制御、車内ネットワークには、高度な半導体技術が必要です。IEA によると、ネットゼロシナリオを達成するには、2023 年から 2030 年の間に電気自動車の販売台数を年平均 25% 増加させる必要があります。

さらに、自動車における先進運転支援システム（ADAS）、電動化、エンターテインメント システムの使用が増えていることから、自動車業界では半導体ソリューションの需要が高まっています。3D スタッキング テクノロジは、これらのコンポーネントを自動車アプリケーション向けのコンパクトで信頼性の高いパッケージに統合する上で不可欠となるでしょう。3D スタッキング テクノロジにより、これらのコンポーネントをコンパクトでエネルギー効率の高いパッケージに組み込むことができ、走行距離が延び、安全機能が向上した高性能 EV を作成できます。モノのインターネット（IoT）市場には、スマート ホーム ガジェット、ウェアラブル エレクトロニクス、産業用センサー、接続されたヘルスケア機器など、さまざまなアプリケーションが含まれます。これらの IoT デバイスには、センサー、処理、通信機能が統合された小型でエネルギー効率の高い半導体ソリューションが必要です。

さらに、スマート シティ ミッションはインドの 100 都市を改善するための取り組みであり、プロジェクトは 2019 年から 2023 年の間に完了する予定です。2023 年 9 月現在、7,960 件のプロジェクトのうち 6,188 件が完了しており、総額 113,721 億インド ルピーが費やされています。連邦都市開発省は州政府と協力してこのミッションを実施しています。スマート シティはモノのインターネット (IoT) センサーを使用してデータを収集し、交通、エネルギー使用、ゴミ管理などの操作を自動化します。3D スタッキング テクノロジーにより、これらの機能をコンパクトなフォーム ファクター パッケージに統合する機会が提供され、パフォーマンスと機能が向上した IoT デバイスの開発が可能になります。

分析

世界の 3D スタッキング市場は、テクノロジー、デバイスの種類、方法、エンドユーザーに基づいてセグメント化されています。

市場は、テクノロジー別にさらに 3D ハイブリッド ボンディング、3D TSV、モノリシック 3D 統合に分類されます。

3D ハイブリッド ボンディング セクターは、市場収益シェアを大幅に伸ばしました。3 次元ハイブリッド ボンディング (チップ対チップ ボンディングまたはウェーハ対ウェーハ ボンディング) は、複数の半導体チップまたはウェーハを垂直に積み重ねる技術です。この手順には、酸化物やポリマーなどの薄い材料層を使用して 2 つ以上のチップを接続し、チップ間に電気接続を形成することが含まれます。水平相互接続に一般的に使用される標準的なワイヤ ボンディングやフリップ チップ ボンディングとは異なり、3D ハイブリッド ボンディングでは、積み重ねられたチップ間の正確な位置合わせと高密度相互接続が可能です。このアプローチは、ロジック チップとメモリ チップを 1 つのパッケージに統合するなど、さまざまなチップ技術や材料の異種統合を必要とするアプリケーションに特に適しています。

3D TSV 技術では、半導体チップのシリコン基板を貫通するシリコン貫通ビア (TSV) と呼ばれる垂直相互接続を作成します。TSV は、3D スタック デバイスの層間の電気接続を提供し、より効率的な信号ルーティング、電力供給、温度制御を可能にします。この技術は、多数のチップまたは層を垂直に積み重ねることで、より高いレベルの統合とダウンサイジングを実現します。アプリケーションの要件に応じて、TSV は、深層反応性イオン エッチング (DRIE)、レーザー ドリリング、またはビア ファースト/ビア ラスト プロセスを使用して生成できます。

デバイスの種類に基づいて、市場はメモリデバイス、MEMS/センサー、LED、産業用および IoT デバイス、自動車用電子機器に細分化されています。

収益の面では、LED カテゴリーが市場を支配しました。LED は、電流が流れると光を生成する半導体です。3D スタッキング技術により、多数の LED チップまたはダイが 1 つのパッケージに統合され、光出力の増加、色混合の改善、熱管理の改善が実現します。このカテゴリーには、一般照明、自動車照明、ディスプレイ バックライト、および UV 硬化や園芸照明などの特殊用途向けの LED が含まれます。

DRAM (ダイナミック ランダム アクセス メモリ)、NAND フラッシュ、3D XPoint などの新しいメモリ技術を含むメモリ デバイスは、スマートフォンやタブレットからデータ センターや IoT デバイスまで、さまざまな電子デバイスに不可欠なコンポーネントです。多数のメモリ層を垂直に積み重ねることで、メモリ密度を高め、データ アクセス速度を高速化し、消費電力を削減できます。このセクターには、さまざまなアプリケーションやパフォーマンスのニーズに合わせて最適化された揮発性および不揮発性メモリ技術が含まれています。

方法セグメントはさらに、TSV、インターポーザベースのスタッキング、ダイツーダイボンディング、およびウェーハレベルスタッキングに分岐できます。

TSV は、半導体デバイスのシリコン基板を貫通する垂直相互接続で、複数の層またはチップ間の電気接続を可能にします。TSV ベースのスタッキングには、1 つまたは複数の半導体ウェーハ上に TSV を作成し、それらを接続してから、スタックされたウェーハを薄くして個々のチップにスライスすることが含まれます。この技術は、高密度メモリ、ロジック、センサー デバイスの統合、および民生用電子機器、データ センター、自動車アプリケーション向けの革新的なパッケージ ソリューションに広く利用されています。

インターポーザベースのスタッキングでは、TSV と再配線層 (RDL) が埋め込まれた薄い基板であるインターポーザを使用して、多数のチップまたはダイの垂直統合を可能にします。チップはフリップチップ ボンディングまたはその他のアセンブリ技術によってインターポーザに接続され、TSV と RDL によって電気接続が作成されます。インターポーザベースのスタッキングでは、ロジック、メモリ、RF (無線周波数) デバイスなどの異種コンポーネントが 1 つのパッケージに統合されるため、高性能コンピューティングと混合信号統合を必要とするアプリケーションに最適です。

市場は、エンドユーザーに基づいて、データセンター、クラウド コンピューティング、自動車用電子機器、通信、産業用アプリケーション、医療機器に分類されます。

自動車およびエレクトロニクス部門が収益面で市場を支配しました。自動車業界は、インフォテインメント システム、運転支援システム、自動運転機能などの新機能や機能のために、ますます半導体技術に依存しています。3D スタッキング技術は、自動車アプリケーション向けに、多数のチップ、センサー、CPU を小型で耐久性のあるパッケージに統合します。これには、先進運転支援システム (ADAS)、車載インフォテインメント (IVI) システム、車両間通信 (V2X)、電動化用の部品が含まれます。

通信ネットワークは、音声、データ、およびビデオ通信サービスを提供するために、高速で信頼性の高い半導体デバイスに依存しています。3D スタッキング テクノロジにより、RF (無線周波数) コンポーネント、ベースバンド プロセッサ、およびメモリ モジュールを、通信インフラストラクチャ機器に適したコンパクトで電力効率の高いパッケージに統合できます。この分野のアプリケーションには、無線および有線通信ネットワーク用の基地局、ルーター、スイッチ、光トランシーバー、およびネットワーク処理ユニットが含まれます。

地域分析

アジア太平洋地域が世界市場を支配

世界的な 3D スタッキング市場分析は、北米、ヨーロッパ、アジア太平洋、中東およびアフリカ、ラテンアメリカで実施されています。

アジア太平洋地域は、世界の 3D スタッキング市場において最も重要なシェアを占めており、予測期間中に 21.0% の CAGR で成長すると予測されています。アジア太平洋地域は、世界の 3D スタッキング市場の収益の 50% 以上を生み出しました。この地域は、TSMC や Samsung などの企業が 3D スタッキングなどの技術革新を推進するなど、電子機器製造部門が充実しています。この強固な基盤により、新しい半導体ソリューションの使用が促進されています。この地域では、スマートフォン、スマートウォッチ、その他の電子機器に対する需要が絶えず拡大しており、小型化と性能向上の重要性が強調されていますが、3D スタッキングは、その両方をうまく解決します。

さらに、財政的インセンティブやインフラの改善を通じて、中国や韓国などの国の政府支援は、現地のチップ開発と新しいパッケージング技術の進化を加速させ、エレクトロニクス業界の長期的な成功に貢献しています。TSMCは、地域の能力と研究開発を強化する3Dスタッキング技術に250億ドルの予算を計上しています。中国は3D NANDフラッシュの生産を拡大しており、市場シェアを拡大しています。韓国は、複数のチップタイプを単一のスタックに混在させてアプリケーションの可能性を広げる異種統合を奨励し、高度な半導体ソリューションに対する業界の注目を高めています。中国は、その堅調な製造部門、政府支援、国内のエレクトロニクス需要の増加により、地域の市場シェアに大きな影響を与えています。

しかし、韓国、台湾、日本には大きな発展の可能性があり、3Dスタッキング技術への支出が増加しており、市場競争力とイノベーションの向上を示しています。

北米は、予測期間中に20.5％のCAGRを示すことが予想されています。北米の3Dスタッキング市場は、半導体デバイスの垂直統合が革新と成長を推進するなど、さまざまなセクターとアプリケーションをカバーしています。データセンターは、北米市場で3Dスタッキングの一般的なアプリケーションです。この地域のデータセンターは、コンピューティング能力を高め、エネルギー効率を改善し、物理的なフットプリントを最小限に抑える方法を常に模索しています。データセンターの増加により、調査対象の3D ICパッケージングのベンダーに新たな機会が生まれます。シスコシステムズによると、データセンターストレージ内のビッグデータの世界的な量は、2021年までに403エクサバイトを超えると予想されており、米国がかなりの部分を占めています。ハイパースケールデータセンターは、2015年の259から2021年には700に増加しました。

さらに、国際貿易局（ITA）によると、自動車産業は北米経済に大きく貢献しており、米国、カナダ、メキシコでは年間約1,700万台の自動車が生産されています。電気自動車、コネクテッドカー、自動運転車の使用の増加により、自動車産業における高度な半導体ソリューションの需要が高まっています。3Dスタッキング技術は、自動車エレクトロニクスの変化するニーズを満たす上で重要な役割を果たすと予想されており、北米市場での拡大を促進しています。

ヨーロッパは市場でかなりのシェアを占めています。地域の通信事業者は、モバイルおよびブロードバンド サービスの需要増大に対応するため、データ速度の高速化、レイテンシの低減、容量の拡大をサポートするためにネットワークの改善に取り組んでいます。3D スタッキングにより、RF コンポーネント、ベースバンド プロセッサ、メモリ モジュールをコンパクトに統合できるため、今日の通信ネットワークを支える次世代の基地局、ルーター、光トランシーバの構築が容易になります。

最近の動向

• 2024 年 4 月 -先進メモリ技術の世界的パイオニアであるサムスン電子は、最大 10.7 ギガビット/秒という最高のパフォーマンスをサポートする業界初の LPDDR5X DRAM の開発を発表しました。
• 2024 年 4 月 - TSMC アリゾナと米国商務省は、CHIPS 法の直接資金提案として最大 66 億ドルを発表しました。同社はフェニックスに 3 番目の最先端ファブを計画しています。