技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了日益復(fù)雜和密集的集成電路（IC）不斷發(fā)展。為了滿(mǎn)足對(duì)高性能和節(jié)能設(shè)備不斷增長(zhǎng)的需求，行業(yè)已轉(zhuǎn)向3D-IC設(shè)計(jì)。3D-IC在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、電信、計(jì)算和汽車(chē)等眾多行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

什么是3D-IC技術(shù)？

3D-IC技術(shù)是指用于多芯片集成電路的一系列封裝技術(shù)，其中多個(gè)半導(dǎo)體芯片（稱(chēng)為“芯?！保┍舜丝拷?.5D-IC）或相互疊放（3D-IC）。這些芯粒（Chiplet）使用帶硅通孔（TSV）的硅中介進(jìn)行互連，這些通孔穿過(guò)硅中介并實(shí)現(xiàn)所有層之間的連接。TSV可提供更短的互連長(zhǎng)度、更低的寄生電容和更高的帶寬，從而提高系統(tǒng)性能。該技術(shù)，可以在緊湊的外形尺寸中實(shí)現(xiàn)邏輯、存儲(chǔ)器、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域芯片的異構(gòu)集成，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能、更低的功耗和更小的外形尺寸。

為什么3D-IC技術(shù)是更好的替代方案？

片上系統(tǒng)（SoC）是每個(gè)IC設(shè)計(jì)人員的首選，因?yàn)樗商峁└叩男阅芎蛿U(kuò)展的功能。但SoC是單片的，而將混合元件集成到單個(gè)芯片會(huì)延遲產(chǎn)品交付，并增加IC的整體成本。

SoC設(shè)計(jì)方法有幾個(gè)局限性。主要限制之一是芯片本身的尺寸。因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)的所有組件都放在單個(gè)芯片上，這意味著可以集成到SoC上的組件數(shù)量和類(lèi)型受到芯片上可用空間的限制。

SoC設(shè)計(jì)的另一個(gè)局限性是制造工藝的成本和復(fù)雜性。由于許多組件集成在單個(gè)芯片上，因此需要先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝。這不僅成本高昂而且相當(dāng)復(fù)雜，會(huì)給大批量生產(chǎn)SoC帶來(lái)挑戰(zhàn)，并可能限制其商業(yè)可行性。

由于所有組件都緊密封裝在SoC封裝中，因此會(huì)導(dǎo)致功耗增加、性能下降。此外，高度集成還會(huì)限制系統(tǒng)的靈活性和可升級(jí)性。總的來(lái)說(shuō)，雖然SoC設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)勢(shì)，例如尺寸更小、復(fù)雜性相對(duì)更低，但在決定使用此方法之前，必須仔細(xì)考慮其潛在的局限性。

上述局限性，促使設(shè)計(jì)人員采用更具革命性的方法：3D-IC設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的2D-IC設(shè)計(jì)相比，這種方法具有多種優(yōu)勢(shì)，包括提高性能、降低功耗和縮小外形尺寸。此外，相較于2D-IC，3D-IC設(shè)計(jì)技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成，更高效地利用空間并提高電氣性能。

3D-IC使用硅中介（silicon interposer）和TSV，以便在不同IP之間實(shí)現(xiàn)更好的連接。硅中介是一種用于2.5D和3D-IC設(shè)計(jì)的薄硅晶片，可以在單個(gè)封裝中連接多個(gè)裸片或芯片。它可作為放置芯片的基板，并使用較小間距垂直TSV和微突進(jìn)行連接。與傳統(tǒng)的2D-IC相比，這可以實(shí)現(xiàn)更好的散熱、更低的功耗、更高的密度和更出色的電氣性能。

3D-IC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

3D-IC設(shè)計(jì)面臨一些多物理場(chǎng)挑戰(zhàn)，包括傳熱、電遷移、應(yīng)力和應(yīng)變以及熱膨脹。這些挑戰(zhàn)是由于3D-IC的復(fù)雜性和互聯(lián)性而產(chǎn)生的，其中多個(gè)芯片相互堆疊，并使用TSV和微突進(jìn)行連接。

熱膨脹也是3D-IC設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。隨著IC溫度的變化，IC中使用的不同材料將以不同的速率膨脹，從而導(dǎo)致應(yīng)力和翹曲，影響其性能和可靠性。傳熱會(huì)使3D-IC設(shè)計(jì)中的溫度分布進(jìn)一步復(fù)雜化。由于晶體管和其他組件的高密度，3D-IC中的傳熱變得非常困難。大多數(shù)熱量都滯留在系統(tǒng)中，導(dǎo)致溫度升高。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為自熱。3D-IC由數(shù)十億個(gè)組件組成，這些組件通過(guò)較長(zhǎng)的互連線(xiàn)連接。這些長(zhǎng)連接產(chǎn)生的焦耳熱，是導(dǎo)致整體溫度升高的另一個(gè)主要因素。在設(shè)計(jì)3D-IC時(shí)，必須對(duì)這些熱源進(jìn)行監(jiān)控和分析，以確?？煽康男阅?。

Ansys Redhawk-SC Electrothermal提供了一種黃金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用于進(jìn)行使用硅中介的3D-IC設(shè)計(jì)的熱行為仿真和檢查。您可以輕松地對(duì)3D-IC設(shè)計(jì)（包括硅中介）的幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性進(jìn)行建模，并對(duì)設(shè)計(jì)中的傳熱進(jìn)行仿真。此外，您還可以輕松分析溫度分布和散熱，以查看設(shè)計(jì)是否符合所需的熱性能規(guī)范。

電遷移是3D-IC設(shè)計(jì)中的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)。這是指電子在導(dǎo)體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移會(huì)對(duì)IC造成損壞；而由于組件的高電流和密度會(huì)增加電遷移的風(fēng)險(xiǎn)，其在3D-IC中尤其成問(wèn)題。不過(guò)，利用Ansys RedHawk-SC，工程師無(wú)需反復(fù)思考就可以進(jìn)行電遷移可靠性簽核。

電源完整性和信號(hào)完整性始終是IC設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問(wèn)題。由于3D-IC復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，其電源完整性簽核更為復(fù)雜。功率和溫度之間的關(guān)系使這一問(wèn)題更加復(fù)雜。系統(tǒng)中每個(gè)模塊的功耗不同，這就會(huì)在每個(gè)模塊周?chē)a(chǎn)生不同的溫度分布。為了優(yōu)化系統(tǒng)的電源完整性，設(shè)計(jì)人員必須克服3D-IC中存在的這些多物理場(chǎng)問(wèn)題，而利用Ansys軟件，設(shè)計(jì)人員可以輕松生成模塊的電源模型，并對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行仿真。

3D-IC設(shè)計(jì)是一種變革性的芯片集成方法，它可提供小巧的外形尺寸，但也面臨許多多物理場(chǎng)挑戰(zhàn)。因此，解決這些多物理場(chǎng)挑戰(zhàn)對(duì)于成功設(shè)計(jì)和實(shí)施至關(guān)重要。通過(guò)提供業(yè)界領(lǐng)先的仿真技術(shù)，Ansys工具能夠助您輕松應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)——您可以輕松分析3D-IC的信號(hào)完整性、電源完整性和熱完整性，以確保您的設(shè)計(jì)符合所有要求的性能規(guī)范。