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Ansys博客

November 1, 2022

2.5D/3D-IC芯片设计硅中介电磁建模和仿真挑战

2.5D/3D-IC封装技术的使用为微芯片行业重新注入了活力，特别是在中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）和片上系统（SoC）等高端领域，避免了超深亚微米级工艺节点进步带来的收益递减问题。但封装技术非常复杂，并且，其影响遍及从芯片设计到封装和印刷电路板（PCB）研发的各个设计团队。

这些研发团队有不同的要求和需求。芯片团队需要支持电磁、时序、功耗、热效应和机械效应建模与仿真的工具。此外，还需要捕获这些现象之间的相互作用，从而有效地将需求扩展到一套支持多物理场仿真的工具。该工具集将应用于多芯片2.5D/3D-IC设计的每个芯粒（chiplet）和整体动态交互架构。

Full 3D silicon interposer model

PCB和封装研发人员对工具的要求和上述其他团队非常相似，但显然更加广泛。无论是单独还是从多物理场参考框架来看，他们的建模和仿真工具都需要确保封装和电路板设计的电磁、电源和信号完整性、热和机械方面的安全。然而，工程师还必须考虑电路板、封装和芯片作为一个完整系统之间的多物理场相互作用。

硅中介（interposer）贯穿于所有设计和仿真中，它的作用是将芯粒（或完整3D-IC设计中的芯粒堆栈）与2.5D/3D-IC封装中的基板相分离。硅中介可在水平面上对芯片进行物理分离，同时提供用于将芯粒堆栈电源和信号路径路由到封装的球栅阵列（BGA）的路径。

硅中介的优势

在中介的材料方面，越来越受欢迎的选择是硅。硅中介采用IC制造工艺制成，尽管成本通常比较高，但其具有明显的优势。首先是材料的热膨胀系数，它将与其所接触的芯片的热膨胀系数相匹配。其次是硅中介可支持的硅通孔（TSV）的排列。该阵列既密集，又与BGA封装的球间距良好对齐。此外，硅还支持信号和配电中使用的走线的较小间距。这些功能结合在一起时，硅中介就能够在原速度和带宽方面提供显著的性能优势。

但是，硅中介中的所有这些密集封装功能也给设计2.5D/3D-IC芯片、封装和电路板的团队成员带来了其他问题。硅中介的建模和仿真支持是一项重大挑战，您可以看到有很多相关工作正在进行。此外，硅中介是功能系统中的又一个复杂组件，从多物理场角度来看，这些功能都是相互关联的。

使用硅中介的2.5D/3D-IC设计人员关注的问题包括：

  1. 准确度：电磁仿真器能否准确捕获硅中介的所有细节？
  2. 运行时间：仿真是否会在一定时间（如几分钟或几小时）内收敛到硅中介设计参数的准确和最优解？
  3. 多物理场：能否纳入其他物理因素，例如可能影响硅中介电磁（EM）仿真的机械和热现象，以提供完整的多物理场解决方案？
  4. 系统仿真：硅中介电磁仿真能否与芯片、封装和PCB级的工作相结合，同时仍能在系统级生成准确、及时的仿真结果？
  5. 综合方法：工具集是否有可以执行上述所有操作的工作流程或方法？

在11月的第一周举办的“面向3D-IC硅中介的综合多物理场分析平台”网络研讨会上，Ansys回答了包括上述问题在内的更多问题。本次网络研讨会中，我们进行了一系列关于3D-IC建模和仿真的网络研讨会讨论，话题涵盖从芯片级扩展到完整的PCB实施。11月3日的演示概述了3D-IC设计所面临的电源完整性、热完整性和信号完整性挑战，并以硅中介设计作为说明性应用示例，介绍了Ansys Redhawk-SC Electrothermal——一款针对问题集的综合多物理场仿真解决方案。

立即观看网络研讨会点播视频，了解3D-IC设计的所有挑战和解决方案。