一文掌握3D IC设计中的多物理场效应

EDA半导体行业正处在一个关键转折点，摩尔定律的极限推动着向三维集成电路(3D IC)技术的转型。通过垂直集成多个芯粒，3D IC 在性能、功能性和能效方面实现了进步。然而，堆叠芯片引入了由多物理场相互作用(热、机械和电气)驱动的复杂性层面，这些必须在设计之初就加以解决。

3D IC 将 IC 设计带入新维度

从二维(2D)系统级芯片(SoC)转向堆叠的 3D IC，从根本上改变了设计环境。2D SoC 受益于成熟的工艺设计套件(PDK)和可预测的工作流程。相比之下，3D 集成通常意味着要整合使用不同工艺节点和新互连技术的异构芯片，这在整个设计和验证流程中引入了额外的变量。多物理场现象不再是孤立的问题，它们已成为设计整体成功不可或缺的一部分。

多物理场：新的设计要务

3D IC 的垂直结构——通过硅通孔和微凸块互连，并封装在先进的封装材料中——创造了一个紧密耦合的环境，其中散热、机械完整性和电气行为以复杂的方式相互作用。对于 2D 芯片，热和机械检查通常被推迟到设计周期后期，其影响尚可管理。对于 3D IC，推迟这些分析则可能面临代价高昂的重新设计或性能与可靠性故障的风险。传统的 SoC 设计通常依赖于高层次 RTL 描述，许多物理优化在早期就已固定，后期难以更改。3D IC 的复杂性和物理耦合要求在 RTL 和布局规划阶段就更早地从物理驱动的分析中获得反馈，使设计人员能够在代价高昂的约束锁定之前做出明智的选择。一个芯粒在单独测试时可能符合规格，但一旦置于 3D 堆栈的真实条件下，就可能面临可靠性和性能下降的问题。只有早期、预测性的多物理场分析才能揭示这些风险，并实现具有成本效益的缓解。持续的多物理场评估必须从布局规划开始，并贯穿每一个设计迭代。对布局、接口或材料的任何更改都可能引入新的热或机械应力问题，必须重新评估以维持系统可靠性和良率。

将IC设计提升至系统级

3D IC 需要专业团队之间的紧密协作：芯片设计人员、中介层专家、封装工程师，以及日益重要的电子系统架构师和 RTL 开发人员。每个团队都有自己的工具链和数据标准，通常具有不同的网表命名约定、组件方向和功能定义，这导致了沟通和集成方面的挑战。除了内部挑战，3D IC 设计通常涉及来自多个供应商、晶圆厂和 OSAT 提供商的芯粒，各方的方法论和数据格式各不相同。虽然使用现成的芯粒提供了灵活性并加速了开发，但集成过程可能暴露出先前隐藏的多物理场问题。一个单独工作正常的芯粒在堆叠后可能无法满足规格，这强调了需要更紧密的行业协作。解决这些差异需要一位系统级负责人，并得到能够统一方法论和聚合跨领域数据的全面 EDA 平台的支持。这确保了数据一致性，并减少了孤岛式工作流程固有的错误。对于 EDA 供应商而言，开发能够实现这种协作的包容性环境和工具至关重要。公司间的协作现在也依赖于更强大的数据交换工具和方法论。EDA 供应商通过提供在无晶圆厂公司、晶圆厂和 OSAT 之间实现无缝通信和数据聚合的平台和标准，发挥着核心作用。在行业层面，新的标准和 3D IC 设计套件——例如由 CDX 工作组和行业合作伙伴开发的那些——正在涌现以应对这些挑战，为描述 3D IC 组件、接口和封装架构打造一种通用语言。这些标准对于实现跨不同团队和供应链合作伙伴的可靠数据交换和集成至关重要。

芯粒设计套件(CDK)：JEDEC JEP30 部件模型

诸如台积电的 3Dblox 计划等项目提供了前期的布局和互连定义，减少了歧义并促进了工具的互操作性。

数字李生与预测性多物理场

数字孪生概念将多物理场分析扩展到整个产品生命周期。维护一个精确的数字表示——从晶体管级细节到全系统集成——使得预测性仿真和优化成为可能，并能考虑到直至封装、电路板甚至系统级的相互作用。通过在抽象级别之间传递多物理场结果，团队可以验证芯粒在热和机械负载下的行为是否准确预测了最终产品的可靠性。

数字孪生将多物理场分析扩展到整个产品生命周期

对于 3D IC，芯粒的电气模型必须通过从堆栈级仿真中获取的多物理场数据进行增强。将来自封装级分析的温度和应力结果反向标注到芯粒网表中，为更精确的系统级电气仿真奠定了基础。这个反馈循环正成为签核的关键部分，确保每个芯粒在组装后的系统中在其操作窗口内正常运行。

保持冷却

热管理是 3D IC 中芯片间接口最重要的考虑因素。有源芯片的垂直邻近可能导致热量快速积聚和风险，例如热失控，即持续的热量产生进一步降低电气性能，并因不同材料热膨胀系数的差异而产生机械应力。材料之间的差异膨胀甚至会使芯片翘曲，并威胁互连的可靠性。为了实现预测性设计，行业需要标准化的"多物理场 Liberty 文件"，用于定义芯粒模块的温度和应力依赖性，类似于 2D 设计中用于布局布线的 Liberty 文件。这些文件将使设计人员能够评估堆栈中的芯粒在预期的热条件下是否保持在安全操作范围内。多物理场分析还必须支持将温度和应力信息反向标注到单个芯粒，确保电气模型反映真实的操作环境。虽然用于此过程的工具链正在不断发展，但趋势是明确的：全面的、物理感知的仿真和数据交换将成为 3D IC 设计签核不可或缺的一部分，确保可靠的运行和最佳的系统性能。

结论：塑造3DIC设计的未来

迈向 3D IC 技术的旅程标志着半导体行业的一个变革时期，从根本上重塑了复杂系统的设计、验证和制造方式。3D IC 技术标志着半导体创新的飞跃。其成功取决于预测性的早期多物理场分析以及跨供应链的协作。建立通用标准、实现系统级优化以及采用数字孪生概念将推动卓越的性能、可靠性和上市时间。3D IC 设计领域的先驱——跨越 EDA、半导体和系统开发商——正朝着统一的系统级平台迈进，该平台允许设计人员在一个"单一驾驶舱"环境中进行迭代和优化多物理场分析。作为 3D IC 方法论、标准化和工具的领导者，西门子最近推出了首个真正的 3D IC EDA 解决方案——Innovator3D IC，它提供了设计人员所需的单一集成驾驶舱。

Innovator3D IC Integrator 异构集成驾驶舱

随着 EDA 工具、方法论和协作的持续进步，半导体行业能够释放 3D 集成的全部潜力——交付下一代电子系统，突破能力、效率和创新的界限。