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May 3, 2023
3D-IC 設計：晶片整合創新方法
積體電路 (IC) 的開發複雜度和密集度，隨著科技的進步而持續提高。業界為持續滿足對於高效能節能裝置的日益成長需求，於是轉向了 3D-IC 設計。3D-IC 已廣泛用於消費性電子製品、電信、運算與汽車等不同產業。
何謂 3D-IC 技術？
3D-IC 技術是指用於多晶粒積體電路的一系列封裝技術，在這些技術中，稱為「小晶片」的多個半導體晶片彼此相鄰放置 (2.5D-IC) 或相互堆疊 (3D-IC)。這些小晶片運用帶有矽通孔 (TSV) 的矽中介層相互連結，矽通孔能穿過矽中介層以連結各層。TSV 可提供較短的互連長度、較低的寄生電容和較高的頻寬，進而提升系統效能。這項技術可利用小巧的外型規格，讓晶片在邏輯、記憶體、感應器、微機電系統 (MEMs) 等領域實現異質整合，所以效能更高、耗電量更低且外型規格更精簡。
3D-IC 技術為何是更優異的替代方案？
系統單晶片 (SOC) 的效能出眾而功能繁多，是每位 IC 設計師的首選。遺憾的是，SOC 屬於單晶片，將各種元件整合至單一晶粒時，可能導致產品交貨延宕，徒增 IC 整體成本。
SOC 設計方法有幾項限制。其中一項主要限制是晶片本身的尺寸，因為電子系統的所有元件都放置在單一晶片上。這表示可整合至 SOC 上的元件數和類型，受限於晶片上的可用空間。
SOC 設計的另一項限制，則是製程的成本與複雜性。由於在單一晶片上整合諸多元件需要用到高階半導體製程，而這些製程可能費用不貲又相當複雜。如此一來，量產 SOC 可能變得困難重重，商業可行性也受到限制。
所有元件都緊密封入 SOC 封裝，這會造成耗電量增加而效能降低。高整合度也妨礙了系統的靈活度和擴充性。整體而言，SOC 的設計雖然優點甚多，例如尺寸較小和較不複雜，但是在決定採用此方法之前，務必要謹慎思考潛在的限制。
上述限制促使設計師轉而採取截然不同的革命性方法：3D-IC 設計。此方法提供多項凌駕於傳統 2D-IC 設計的優勢，包括效能提升、耗電降低且外型規格更小巧。相較於傳統的 2D-IC，3D-IC 的設計技術可實現異質整合、空間運用效率更高，且能改善電氣效能。
3D-IC 採用矽中介層和 TSV 以提高不同 IP 之間的連接能力。矽中介層是用於 2.5D 和 3D-IC 設計的薄型矽晶圓，可在單一封裝中連接多個晶粒或晶片。其可作為基板，以便使用細間距垂直 TSV 和微凸塊，將晶粒放置和連接於基板上。相較於傳統的 2D-IC，這可提供更卓越的散熱效果、耗電量更低、密度更高，且能改善電氣效。
3D-IC 的設計挑戰
3D-IC 設計面臨到幾項多重物理量的挑戰，包括熱傳遞、電遷移、應力和應變，以及熱膨脹。這些挑戰肇始於 3D-IC 的複雜性和互連性，因其中有多個晶粒相互堆疊，並使用 TSV 和微凸塊連接。
熱膨脹也是 3D-IC 設計的挑戰之一。隨著 IC 的溫度變化，IC 使用的不同材料將以相異速率發生膨脹，並形成可能影響其效能和可靠性的應力和翹曲。熱傳遞則讓 3D-IC 設計的溫度分佈愈趨複雜。由於電晶體和其他元件為高密度，3D-IC 進行熱傳遞變得困難重重。大部分熱能都會滯留於系統內部而導致溫度攀升。這種現象稱為自熱。3D-IC 是由數十億個透過互連長線連接的元件構成。這些長線連接而產生的焦耳加熱，則是造成整體溫度升高的另一個主要問題範疇。設計 3D-IC 時，必須監控且分析這些熱源，才能確保維持可靠效能。
多晶粒 3D-IC 系統中的熱分佈
Ansys RedHawk-SC Electrothermal 提供黃金標準技術，其使用矽中介層以檢視和模擬 3D-IC 設計的熱行為。您可以針對 3D-IC 設計 (含矽中介層) 的幾何和材料屬性輕鬆建模，並模擬設計內部的熱傳遞。您也可以輕而易舉地分析溫度分佈和散熱，確認設計是否符合所需熱效能規格。
電遷移是 3D-IC 設計的另一項重大挑戰。這是指導體內部的電子移動，可能隨著時間而損及 IC。因為元件具有高電流和高密度，可能增加電遷移的風險，這一點在 3D-IC 上特別容易釀成問題。有了 Ansys Redhawk-SC，工程師無須猶豫就能簽核電遷移可靠性。
電源完整性和訊號完整性始終是 IC 設計師的首要考量。3D-IC 的複雜幾何讓簽核電源完整性更需要三思。電源與溫度之間的關係讓這件事更為棘手。系統中每個區塊的耗電量都不相同，促使每個區塊周遭的溫度分佈亦大相逕庭。為求最佳化系統的電源完整性，設計師必須克服 3D-IC 出現的這些多重物理量問題。有了 Ansys 軟體，製作區塊電源模型及模擬系統運作行為將變得再簡單不過。
3D-IC 設計是一種革命性的晶片整合方法，雖然提供了小型外型規格，卻面臨到多重物理量的諸多挑戰。解決這些多重物理量伴隨而來的挑戰，正是設計與實作得以成功的關鍵。Ansys 工具提供了一流的模擬技術，讓您不費吹灰之力就能解決種種挑戰。您可以輕鬆分析 3D-IC 的訊號完整性、電源完整性及熱完整性，確保自己的設計符合所有必要效能規格。
深入瞭解 RedHawk-SC，並查看我們的相關網路研討會「矽中介層設計的熱完整性挑戰及解決方案」。