技術的進步推動了日益復雜和密集的集成電路（IC）不斷發展。為了滿足對高性能和節能設備不斷增長的需求，行業已轉向3D-IC設計。3D-IC在消費類電子產品、電信、計算和汽車等眾多行業都有廣泛的應用。

什么是3D-IC技術？

3D-IC技術是指用于多芯片集成電路的一系列封裝技術，其中多個半導體芯片（稱為“芯粒”）彼此靠近（2.5D-IC）或相互疊放（3D-IC）。這些芯粒（Chiplet）使用帶硅通孔（TSV）的硅中介進行互連，這些通孔穿過硅中介并實現所有層之間的連接。TSV可提供更短的互連長度、更低的寄生電容和更高的帶寬，從而提高系統性能。該技術，可以在緊湊的外形尺寸中實現邏輯、存儲器、傳感器、微機電系統（MEMS）等領域芯片的異構集成，從而實現更高的性能、更低的功耗和更小的外形尺寸。

為什么3D-IC技術是更好的替代方案？

片上系統（SoC）是每個IC設計人員的首選，因為它可提供更高的性能和擴展的功能。但SoC是單片的，而將混合元件集成到單個芯片會延遲產品交付，并增加IC的整體成本。

SoC設計方法有幾個局限性。主要限制之一是芯片本身的尺寸。因為電子系統的所有組件都放在單個芯片上，這意味著可以集成到SoC上的組件數量和類型受到芯片上可用空間的限制。

SoC設計的另一個局限性是制造工藝的成本和復雜性。由于許多組件集成在單個芯片上，因此需要先進的半導體制造工藝。這不僅成本高昂而且相當復雜，會給大批量生產SoC帶來挑戰，并可能限制其商業可行性。

由于所有組件都緊密封裝在SoC封裝中，因此會導致功耗增加、性能下降。此外，高度集成還會限制系統的靈活性和可升級性。總的來說，雖然SoC設計具有許多優勢，例如尺寸更小、復雜性相對更低，但在決定使用此方法之前，必須仔細考慮其潛在的局限性。

上述局限性，促使設計人員采用更具革命性的方法：3D-IC設計。與傳統的2D-IC設計相比，這種方法具有多種優勢，包括提高性能、降低功耗和縮小外形尺寸。此外，相較于2D-IC，3D-IC設計技術還可實現異構集成，更高效地利用空間并提高電氣性能。

3D-IC使用硅中介（silicon interposer）和TSV，以便在不同IP之間實現更好的連接。硅中介是一種用于2.5D和3D-IC設計的薄硅晶片，可以在單個封裝中連接多個裸片或芯片。它可作為放置芯片的基板，并使用較小間距垂直TSV和微突進行連接。與傳統的2D-IC相比，這可以實現更好的散熱、更低的功耗、更高的密度和更出色的電氣性能。

3D-IC的設計挑戰

3D-IC設計面臨一些多物理場挑戰，包括傳熱、電遷移、應力和應變以及熱膨脹。這些挑戰是由于3D-IC的復雜性和互聯性而產生的，其中多個芯片相互堆疊，并使用TSV和微突進行連接。

熱膨脹也是3D-IC設計中的一項挑戰。隨著IC溫度的變化，IC中使用的不同材料將以不同的速率膨脹，從而導致應力和翹曲，影響其性能和可靠性。傳熱會使3D-IC設計中的溫度分布進一步復雜化。由于晶體管和其他組件的高密度，3D-IC中的傳熱變得非常困難。大多數熱量都滯留在系統中，導致溫度升高。這種現象被稱為自熱。3D-IC由數十億個組件組成，這些組件通過較長的互連線連接。這些長連接產生的焦耳熱，是導致整體溫度升高的另一個主要因素。在設計3D-IC時，必須對這些熱源進行監控和分析，以確保可靠的性能。

Ansys Redhawk-SC Electrothermal提供了一種黃金標準技術，用于進行使用硅中介的3D-IC設計的熱行為仿真和檢查。您可以輕松地對3D-IC設計（包括硅中介）的幾何結構和材料屬性進行建模，并對設計中的傳熱進行仿真。此外，您還可以輕松分析溫度分布和散熱，以查看設計是否符合所需的熱性能規范。

電遷移是3D-IC設計中的另一個主要挑戰。這是指電子在導體內的運動，隨著時間的推移會對IC造成損壞；而由于組件的高電流和密度會增加電遷移的風險，其在3D-IC中尤其成問題。不過，利用Ansys RedHawk-SC，工程師無需反復思考就可以進行電遷移可靠性簽核。

電源完整性和信號完整性始終是IC設計人員最關心的問題。由于3D-IC復雜的幾何結構，其電源完整性簽核更為復雜。功率和溫度之間的關系使這一問題更加復雜。系統中每個模塊的功耗不同，這就會在每個模塊周圍產生不同的溫度分布。為了優化系統的電源完整性，設計人員必須克服3D-IC中存在的這些多物理場問題，而利用Ansys軟件，設計人員可以輕松生成模塊的電源模型，并對系統的行為進行仿真。

3D-IC設計是一種變革性的芯片集成方法，它可提供小巧的外形尺寸，但也面臨許多多物理場挑戰。因此，解決這些多物理場挑戰對于成功設計和實施至關重要。通過提供業界領先的仿真技術，Ansys工具能夠助您輕松應對上述挑戰——您可以輕松分析3D-IC的信號完整性、電源完整性和熱完整性，以確保您的設計符合所有要求的性能規范。