可靠性挑戰影響3D IC半導體設計

3D IC代表了異構先進(jìn)封裝技術(shù)向第三維度的擴展，與2D先進(jìn)封裝相比，其設計到可制造性的挑戰類(lèi)似，同時(shí)還存在額外的復雜性。雖然尚未普及，但芯片標準化倡議的出現以及支持工具的開(kāi)發(fā)使得3D IC對更廣泛的玩家變得更為可行和有利可圖，包括那些生產(chǎn)規模較小的大大小公司。

3D IC的實(shí)施使得公司可以將設計分成功能子組件，并在最適當的工藝節點(diǎn)集成生成的IP。這有助于實(shí)現低延遲、高帶寬的數據傳輸，降低制造成本，提高晶圓產(chǎn)量，減少功耗，從而降低整體開(kāi)支。這些吸引人的優(yōu)勢推動(dòng)了先進(jìn)異構封裝和3D IC技術(shù)的顯著(zhù)增長(cháng)和進(jìn)步。

在傳統集成電路（IC）設計和制造領(lǐng)域，依賴(lài)簽署策略是司空見(jiàn)慣的。晶圓廠(chǎng)通常會(huì )在特定工藝的設計規則、LVS和可靠性規則中提供設計支持。然而，這種傳統方法對于3D IC先進(jìn)異構封裝來(lái)說(shuō)是不足夠的。與傳統IC不同，3D IC包括多個(gè)層，使用混合工藝，挑戰了單層上的所有元素都是共面的假設。在3D IC中，組件的垂直堆疊引入了復雜性，使得半導體和IC封裝設計工程師難以評估具有不同工藝技術(shù)的組件之間的相互作用，并確定哪些交互作用應該優(yōu)先考慮。

在確?？芍圃煨院涂煽啃苑矫?，我們不能僅僅依賴(lài)晶圓廠(chǎng)或外包半導體封裝和測試（OSAT）供應商提供的通用設計工具。相反，我們需要借助3D IC設計師的思想。規劃工具對于協(xié)助封裝架構師進(jìn)行樓層規劃決策并將此信息提供給半導體和IC封裝設計工程師至關(guān)重要。這些信息應包括組件的垂直堆疊方式，而不僅僅是它們的一維布局。我們還必須將對特定元素的檢查與單個(gè)層定義分開(kāi)，因為不同的工藝可能對相似結構的層編號不同。這些信息可以在早期使用3D IC原型設計和規劃工具提取。

規劃和樓層規劃工具在確保裝配體架構的正確對齊和可制造性方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，這通常是在片上系統（SoC）領(lǐng)域通過(guò)設計規則檢查（DRC）完成的任務(wù)。然而，僅僅依賴(lài)DRC并不能保證期望的功能。幸運的是，布局與原理圖（LVS）分析具有雙重作用，不僅可以確認可制造性，還可以驗證布局是否準確地表示了預期的電氣結構和行為。與在執行之前進(jìn)行凈表列和仿真的傳統方法不同，LVS對所有芯片、層和器件進(jìn)行了詳細分析，以驗證它們與預期設計的一致性。該過(guò)程需要一個(gè)源凈表，通常稱(chēng)為“黃金凈表”，以進(jìn)行準確的比較。

然而，3D IC對LVS分析提出了挑戰，主要是由于插層的引入——通常是LVS無(wú)法處理的被動(dòng)元件。與主動(dòng)元件不同，被動(dòng)元素缺乏電性能，不對電路功能產(chǎn)生影響，使得傳統的LVS方法難以應對，因為它依賴(lài)于對電針腳電性連接的了解。此外，3D IC中有意集成的被動(dòng)器件，如電容器、電阻器和光子元件，增加了另一層復雜性，需要理解各種導線(xiàn)放置和材料信息。

引入用于3D IC集成的新組件會(huì )給系統帶來(lái)額外的寄生元件。這些寄生元件可能會(huì )影響各種行為方面——如延遲、噪聲、信號完整性和功耗——從而影響滿(mǎn)足系統設計要求的能力。為了充分了解它們的影響，對與這些組件相關(guān)的寄生元件進(jìn)行準確而有效的建模至關(guān)重要。此外，3D IC組件，包括芯片和插層，垂直堆疊在一起，密度更高、距離更近，進(jìn)一步影響了它們的寄生元件。

提取方法和工具的選擇取決于在性能和準確性之間找到平衡。實(shí)現更高準確性涉及使用更復雜的模型和先進(jìn)的工具?；谝巹t的工具在提供高性能方面表現出色，而基于場(chǎng)求解器的工具優(yōu)先考慮準確性。在處理硅通孔（TSV）寄生元件時(shí)，可以使用晶圓廠(chǎng)的測量和內部全波場(chǎng)求解器開(kāi)發(fā)準確的TSV模型。通過(guò)基于規則的工具，可以在互連寄生元件提取過(guò)程中高效集成這些模型。然而，這些工具在處理TSV耦合時(shí)會(huì )遇到挑戰。雖然可以使用參數化表進(jìn)行耦合電阻和電容，但它們有一些限制。全波求解器提供更高的準確性，但在處理真實(shí)設計中大量TSV時(shí)速度較慢。因此，理想的解決方案是一種既準確又足夠快速的專(zhuān)用場(chǎng)求解器，用于整個(gè)TSV集的提取。

實(shí)施3D IC可以采用兩種方法：硅連接或有機連接，每種方法都具有其自身的優(yōu)勢和挑戰?；诠璧?D IC結構是使用放置和布線(xiàn)工具創(chuàng )建的，適用于密集設計，但受到處理正交形狀的限制。相反，基于有機的3D IC結構利用類(lèi)似于傳統PCB導向工具的工具。

選擇的技術(shù)顯著(zhù)影響了用于信號完整性分析的方法和工具。在硅設計中，從放置和布線(xiàn)工具中流出的數據通常以GDS格式呈現，缺乏傳統信號完整性和電磁（EM）工具所需的詳細信息。這種不足需要額外的手動(dòng)步驟進(jìn)行提取，延長(cháng)分析過(guò)程并限制迭代次數。雖然數據表示對硅設計中的電磁提取構成挑戰，但專(zhuān)用的寄生元件提取工具可以幫助緩解這些問(wèn)題。

相反，有機工具更符合以PCB為導向的方法，包含更多智能數據，包括設計數據庫中的凈名和各種結構類(lèi)型。這一特性減少了寄生元件提取設置的時(shí)間，使該過(guò)程更少出錯。它將提取和分析推到了設計流程的更前端，有助于根據寄生影響及早確定芯片-封裝樓層平面圖中的必要變更。通過(guò)在適當的階段利用適當的分析能力，設計人員可以在設計過(guò)程的早期做出準確性和性能的權衡，從而在總體設計上簽署時(shí)充滿(mǎn)信心。這種積極主動(dòng)的方法使設計人員能夠提前利用3D IC設計的優(yōu)勢。