旨在重振3D IC设计的热分析工具

由于从早期芯片设计到3D组装探索再到最终设计签核等一系列关键挑战，3D IC的主流应用已成为一个问号。一种新的EDA工具声称可解决这些问题，它将将热分析直接集成到IC设计流程的各个阶段，从早期分析到签核分析，同时提供多用途模型。

在今年于加州旧金山举行的设计自动化大会(DAC)上，西门子EDA推出了Calibre 3DThermal软件，用于3D集成电路(3D IC)中的热分析、验证和调试。该软件使芯片设计人员能够快速建模、可视化和减轻设计中的热效应，从早期芯片设计到封装内部探索再到设计签核。

图1：Calibre 3DThermal是基于对3D IC组装全面理解的热分析解决方案。(来源：西门子EDA)

在所有设计流程中，Calibre 3DThermal可捕获和分析整个设计生命周期内的热数据。西门子EDA已与联华电子(UMC)联手部署基于Calibre 3DThermal的热分析流程。

阻碍3D IC发展的因素

专注于设计和制造下一代前沿芯片的半导体工程团队正在转向芯粒和3D IC架构，以便在不断缩小的占位面积内集成更多的功能。然而，尽管众说纷纭，但市场上仍然很难找到基于3D IC架构的商用半导体产品。

原因何在？3D IC架构在单个封装中将多个裸片或芯粒毗邻放置，甚至垂直堆叠裸片，由于更多的有源裸片彼此靠近或垂直堆叠，因此带来了一系列新的复杂性和挑战。

换句话说，将多个有源裸片如此紧密地并排或垂直堆叠在单个封装中，会带来一系列新的棘手挑战。这些挑战(有时被归类为多物理挑战)通常与散热控制有关，因为过热会影响终端设备的性能和可靠性。

“有一种观点认为3D IC将统治世界，但没有人会放弃摩尔定律晶体管的微缩。”西门子EDA Calibre设计解决方案物理验证产品管理高级总监Michael White表示，“然而，3D IC将用于计算密集型人工智能(AI)芯片中的异构解决方案。”

他补充说，在2nm等先进节点上，3D IC是有意义的。“无论是应用处理器、CPU还是GPU，I/O和HBM等部件都将是单独的裸片或单独的芯粒，而这一切都将封装在2.5D或3D IC中”。然而，在这些先进的封装中，散热控制变得至关重要。

此外，设计工程师不能等到组装完成后才发现并纠正错误，否则会严重影响设计进度。

“有大量的热量需要管理。”White指出，“否则，它会影响这个新的多物理场域中的晶体管行为。”他还补充说，热影响可能会与新材料、堆叠方式以及将硅通孔(TSV)靠近有源晶体管放置所带来的应力影响结合在一起。

热分析的救星

White提出了使用Calibre物理验证左移方法的理由，以帮助设计人员在第一次就把事情做对，而不是在临近流片时才把事情做对。在Calibre3DThermal推出之前，他在与笔者交谈时就提到了其关键功能——可行性分析，它允许芯片设计人员以最少的输入开始初步分析。“一旦获得更多信息，它就会不断完善分析的准确性”。

图2：左移方法使芯片设计人员能够在设计流程的早期利用签核质量解决方案发现和解决问题。(来源：西门子EDA)

Calibre设计解决方案DRC/3DIC产品管理高级总监John Ferguson指出，芯片设计人员花费数年时间开发复杂的3D IC，而在热签核后，如果发现问题，他们就无能为力了。“可行性分析的理念是尽早发现潜在问题”。

随着更详细的信息可用，芯片设计人员随后可以进行更详细的分析，考虑金属化细节及其对散热考虑的影响。这种循序渐进的方法使设计人员能够完善他们的分析，应用诸如改变布局规划之类的修复措施，并增加堆叠通孔或TSV以避免热点，从而更有效地散热。

迭代过程一直持续到最终组装完成。Ferguson很快指出，Calibre3DThermal与传统的热分析略有不同。“我们有一种更快的热分析方法，其中Calibre部分将会预先查看裸片级信息，创建精确的模型，并将其用于创建封装级模型。”他表示。

具有多用途模型的Calibre

Calibre 3DThermal是为应对3D IC架构的挑战而开发的，在这种架构中，控制散热是一项关键要求。Calibre 3DThermal提供了快速、准确的方法来识别和快速解决复杂的热问题。它允许设计人员在所有设计阶段重复进行热分析。

这种高级热分析需要完全了解3D IC组件，因此Calibre 3DThermal嵌入了西门子Simcenter Flotherm软件求解器引擎的定制版本，以创建精确的芯粒级热模型，用于全3D IC组件的静态或动态仿真。然后，通过传统的Calibre RVE软件结果查看器简化了调试。

值得注意的是，即使将已知良好的裸片(KGD)放入封装中，也可能会出现热问题。

“一旦你有了更多的裸片，你就可以在更细粒度的层面上进行更成熟的热分析。”Ferguson说，“当你把所有裸片都放入封装中时，你就可以增加额外的精确度，然后查看这些芯粒中的选择性芯粒或选择性IP。”

现在芯片设计人员已经掌握了裸片和封装层面的信息，这些信息可以传递到上游的电路板层面，甚至是大型系统层面，如喷气发动机设计。

（原文刊登于EE Times姊妹网站EDN，参考链接：Thermal analysis tool aims to reinvigorate 3D-IC design，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。