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科普时刻 | 3D-IC设计：芯片集成的创新方法

news 来源：原创 2025/7/18 15:53:28

技术的进步推动了日益复杂和密集的集成电路（IC）不断发展。为了满足对高性能和节能设备不断增长的需求，行业已转向3D-IC设计。3D-IC在消费类电子产品、电信、计算和汽车等众多行业都有广泛的应用。

什么是3D-IC技术？

3D-IC技术是指用于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“芯粒”）彼此靠近（2.5D-IC）或相互叠放（3D-IC）。这些芯粒（Chiplet）使用带硅通孔（TSV）的硅中介进行互连，这些通孔穿过硅中介并实现所有层之间的连接。TSV可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，可以在紧凑的外形尺寸中实现逻辑、存储器、传感器、微机电系统（MEMS）等领域芯片的异构集成，从而实现更高的性能、更低的功耗和更小的外形尺寸。

为什么3D-IC技术是更好的替代方案？

片上系统（SoC）是每个IC设计人员的首选，因为它可提供更高的性能和扩展的功能。但SoC是单片的，而将混合元件集成到单个芯片会延迟产品交付，并增加IC的整体成本。

SoC设计方法有几个局限性。主要限制之一是芯片本身的尺寸。因为电子系统的所有组件都放在单个芯片上，这意味着可以集成到SoC上的组件数量和类型受到芯片上可用空间的限制。

SoC设计的另一个局限性是制造工艺的成本和复杂性。由于许多组件集成在单个芯片上，因此需要先进的半导体制造工艺。这不仅成本高昂而且相当复杂，会给大批量生产SoC带来挑战，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，因此会导致功耗增加、性能下降。此外，高度集成还会限制系统的灵活性和可升级性。总的来说，虽然SoC设计具有许多优势，例如尺寸更小、复杂性相对更低，但在决定使用此方法之前，必须仔细考虑其潜在的局限性。

上述局限性，促使设计人员采用更具革命性的方法：3D-IC设计。与传统的2D-IC设计相比，这种方法具有多种优势，包括提高性能、降低功耗和缩小外形尺寸。此外，相较于2D-IC，3D-IC设计技术还可实现异构集成，更高效地利用空间并提高电气性能。

3D-IC使用硅中介（silicon interposer）和TSV，以便在不同IP之间实现更好的连接。硅中介是一种用于2.5D和3D-IC设计的薄硅晶片，可以在单个封装中连接多个裸片或芯片。它可作为放置芯片的基板，并使用较小间距垂直TSV和微突进行连接。与传统的2D-IC相比，这可以实现更好的散热、更低的功耗、更高的密度和更出色的电气性能。

3D-IC的设计挑战

3D-IC设计面临一些多物理场挑战，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，其中多个芯片相互堆叠，并使用TSV和微突进行连接。

热膨胀也是3D-IC设计中的一项挑战。随着IC温度的变化，IC中使用的不同材料将以不同的速率膨胀，从而导致应力和翘曲，影响其性能和可靠性。传热会使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，3D-IC中的传热变得非常困难。大多数热量都滞留在系统中，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，这些组件通过较长的互连线连接。这些长连接产生的焦耳热，是导致整体温度升高的另一个主要因素。在设计3D-IC时，必须对这些热源进行监控和分析，以确保可靠的性能。

Ansys Redhawk-SC Electrothermal提供了一种黄金标准技术，用于进行使用硅中介的3D-IC设计的热行为仿真和检查。您可以轻松地对3D-IC设计（包括硅中介）的几何结构和材料属性进行建模，并对设计中的传热进行仿真。此外，您还可以轻松分析温度分布和散热，以查看设计是否符合所需的热性能规范。

电迁移是3D-IC设计中的另一个主要挑战。这是指电子在导体内的运动，随着时间的推移会对IC造成损坏；而由于组件的高电流和密度会增加电迁移的风险，其在3D-IC中尤其成问题。不过，利用Ansys RedHawk-SC，工程师无需反复思考就可以进行电迁移可靠性签核。

电源完整性和信号完整性始终是IC设计人员最关心的问题。由于3D-IC复杂的几何结构，其电源完整性签核更为复杂。功率和温度之间的关系使这一问题更加复杂。系统中每个模块的功耗不同，这就会在每个模块周围产生不同的温度分布。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，而利用Ansys软件，设计人员可以轻松生成模块的电源模型，并对系统的行为进行仿真。

3D-IC设计是一种变革性的芯片集成方法，它可提供小巧的外形尺寸，但也面临许多多物理场挑战。因此，解决这些多物理场挑战对于成功设计和实施至关重要。通过提供业界领先的仿真技术，Ansys工具能够助您轻松应对上述挑战——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，以确保您的设计符合所有要求的性能规范。

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