3D-IC设计:一种创新的芯片集成方法

技术的进步导致了越来越复杂和密集集成电路(ic)的发展。为了跟上对高性能和节能设备不断增长的需求，业界已经转向3D-IC设计。3d - ic在广泛的行业中有许多应用，包括消费电子、电信、计算和汽车。

什么是3D-IC技术?

3D-IC技术是指多芯片集成电路的一系列封装技术，其中多个半导体芯片(称为“小晶片”)彼此靠近放置(2.5D-IC)或堆叠在一起(3D-IC)。这些小芯片使用带有通硅孔(tsv)的硅中间层互连，tsv穿透硅中间层并实现所有层之间的连接。tsv提供更短的互连长度，更低的寄生电容和更高的带宽，从而提高系统性能。该技术允许在逻辑、存储器、传感器、微机电系统(MEMs)等领域进行芯片的异构集成，以及更紧凑的外形因素，从而实现更高的性能、更低的功耗和更小的外形因素。

为什么3D-IC技术是更好的选择?

片上系统(SOC)是每个IC设计人员的首选，因为它提供更高的性能和扩展的功能。但是soc是单片的，将混合元件集成到单个芯片中会延迟产品交付并增加IC的总体成本。

SOC设计方法有几个限制。一个主要的限制是芯片本身的尺寸，因为电子系统的所有组件都放在一个芯片上。这意味着可以集成到SOC上的组件的数量和类型受到芯片上可用空间的限制。

SOC设计的另一个限制是制造过程的成本和复杂性。由于许多元件集成在一个芯片上，需要先进的半导体制造工艺，这可能是昂贵和复杂的。这使得大批量生产soc具有挑战性，并可能限制其商业可行性。

由于所有组件都紧密封装在SOC封装中，这导致功耗增加和性能下降。高度集成也限制了系统的灵活性和可升级性。总的来说，虽然SOC设计提供了许多优点，例如更小的尺寸和更低的复杂性，但在决定使用这种方法之前，仔细考虑潜在的限制是很重要的。

上述局限性促使设计师们转向一种更具革命性的方法:3D-IC设计。与传统2D-IC设计相比，这种方法具有多种优势，包括提高性能、降低功耗和减小外形尺寸。与传统2d - ic相比，3D-IC设计技术可以实现异构集成，更有效地利用空间，并提高电气性能。

3d - ic使用硅中间体和tsv来更好地连接不同的ip。硅中间层是一种薄型硅晶片，用于2.5D和3D-IC设计，用于在单个封装中连接多个芯片或芯片。它作为衬底，使用细间距垂直tsv和微凸点放置和连接模具。与传统的2d - ic相比，这允许更好的散热，更低的功耗，更高的密度和更好的电气性能。

3d - ic的设计挑战

3D-IC设计中存在几个多物理场挑战，包括传热、电迁移、应力和应变以及热膨胀。这些挑战是由于3d - ic的复杂性和互联性而产生的，其中多个芯片堆叠在一起，并使用tsv和微凸点连接。

热膨胀也是3D-IC设计的一大挑战。随着集成电路温度的变化，集成电路中使用的不同材料将以不同的速度膨胀，从而产生应力和翘曲，从而影响其性能和可靠性。热传递会使3D-IC设计中的温度分布进一步复杂化。由于晶体管和其他组件的高密度，在3d - ic中传热变得困难。大部分热量被困在系统中，导致温度升高。这种现象被称为自热。3D-IC由数十亿个组件组成，这些组件通过长互连线连接。这些长连接产生的焦耳加热是导致整体温度升高的另一个主要问题。在设计3d - ic时，必须对这些热源进行监测和分析，以确保可靠的性能。

Ansys RedHawk-SC电热提供了一种金标准技术来检查和模拟使用硅中间层的3D-IC设计的热行为。您可以轻松地模拟3D-IC设计的几何形状和材料特性，包括硅中间层，并模拟设计中的传热。您还可以轻松地分析温度分布和散热情况，以确定设计是否满足所需的热性能规格。

电迁移是3D-IC设计中的另一个主要挑战。这指的是导体内电子的运动，随着时间的推移会对集成电路造成损害。这在3d - ic中尤其成问题，因为组件的高电流和密度会增加电迁移的风险。工程师们可以不假思索地批准电迁移的可靠性Ansys Redhawk-SC。

电源完整性和信号完整性始终是任何IC设计者最关心的问题。由于3d集成电路的复杂几何结构，其电源完整性签名更为复杂。功率和温度之间的关系使问题更加复杂。系统中每个模块的功耗不同，从而导致每个模块周围的温度分布不同。为了优化系统的电源完整性，设计人员必须克服3d - ic中存在的这些多物理场问题。利用Ansys软件，可以很容易地为模块生成功率模型并模拟系统的行为。

3D-IC设计是一种革命性的芯片集成方法，它提供了小尺寸，但存在许多多物理场挑战。解决这些多物理场挑战对于成功的设计和实现至关重要。Ansys工具能够通过提供一流的仿真技术轻松应对挑战。您可以轻松分析3d - ic的信号完整性、电源完整性和热完整性，以确保您的设计满足所有所需的性能规格。

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