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芯片设计2.5和3D技术的优势与挑战

2023-03-23 13:48:00

传统的芯片设计和封装方法正在失去动力，无法满足对更低功耗、更快数据速率和更高集成密度的日益增长的需求。5G、AI/ML、自动驾驶汽车和高性能计算等许多行业的设计师都在努力采用有望成为解决方案的 3D 半导体技术。2.5 和 3D IC 封装技术的巨大增长是由提供高带宽和低延迟产品的知名早期采用者推动的。

2.5 和 3D 技术的优势

这一趋势技术满足了将所有功能封装在一个复杂的 IC 封装中的需求，使工程师能够实现激进的高速和小型化目标。在 3D-IC 封装中，裸片彼此垂直堆叠（例如 HBM），而 2.5D 封装将裸片（小芯片）并排放置。小芯片通过硅中介层和芯片通孔 (TSV) 连接。这使得占地面积小得多，并消除了会显着阻碍数据速率和延迟性能的笨重互连和封装。异构集成是硅中介层的另一个优势，它使工程师能够将采用不同硅技术的存储器和逻辑置于同一封装中，从而减少不必要的延迟和功耗。与先进技术节点上的单片 SOC 设计相比，集成以最合适的技术节点设计的不同芯片可提供更好的性能、成本和更快的上市时间。单片 SOC 需要更长的时间来设计和验证，从而导致成本增加和上市时间增加。

硅中介层的实施允许更多可配置的系统架构，但也带来了额外的多物理场挑战，如热膨胀和电磁干扰以及更少的设计和生产问题。

2.5 和 3D 设计的挑战

硅中介层是 IC 封装技术的成功和蓬勃发展的进步。这项技术将很快取代传统的芯片设计方法。将不同的功能块和存储器组合在同一个封装内，可为高级设计技术提供高速和改进的性能。但对中介层的新考虑带来了不熟悉的挑战，设计人员必须了解小芯片裸片、中介层和封装之间的电源完整性、热完整性和信号完整性相互作用。系统仿真成为 IC 封装预期性能的一个不可或缺的因素。

中介层充当无源层，其热膨胀系数与小芯片的热膨胀系数相匹配，这解释了硅在中介层中的普及。然而，它并没有消除设计中出现热热点和焦耳热问题的可能性。通过将中介层放置在具有不同热膨胀系数的普通基板上来支撑中介层，这会增加机械应力和中介层翘曲。这就是设计人员应该担心系统可靠性的地方，因为这种压力很容易破坏数千个微凸块连接中的一些。

硅中介层提供密度更高的 I/O 连接，从而允许更高的带宽和更好地利用芯片空间。但正如我们所知，没有什么是免费的。同一封装中的多个 IP 需要多个电源，从而在封装本身内构成一个复杂的配电网络 (PDN)。PDN 贯穿整个封装，并且总是容易受到电源噪声的影响，从而导致电源完整性问题。使用内插器分析 IC 系统中每个芯片的电压分布和电流特征对于确保电源完整性非常重要。通过元件之间的垂直连接路由大量的电源会对电源完整性造成更多问题。其中包括 TSV 和 C4 凸块，以及微小的微凸块和混合键合连接。最后但并非最不重要的，许多高速信号在芯片和内插器之间路由，很容易成为电磁耦合和串扰的受害者。在设计带有内插器的 IC 封装时，电磁信号完整性（也适用于高速数字信号）必须列入您的验证清单。该技术是一种具有成本效益、高密度和高能效的技术，但仍然容易受到 EM 干扰、热、信号和电源完整性问题的影响。

电源完整性

功率是任何 IC 封装设计中最关键的方面。封装设计周围的一切都由 IC 封装内的芯片消耗的功率驱动。每个芯片都有不同的功率要求，这导致了对供电网络的要求。PDN 在通过最小化电压降（IR 压降）和避免电迁移故障来维持 IC 封装的电源完整性方面也发挥着关键作用。实现电源完整性的最佳方式是通过模拟每个 IC 上的波动电流和构成 PDN 的无源元件的寄生来优化供电网络。由于芯片是通过中介层连接的，因此使用中介层会变得更加复杂。通过内插器布线的电源和接地路径在分析电源完整性时带来了新的挑战。但这不是唯一的问题。电迁移问题与 PI 问题密切相关。每个几何体中的电流密度都必须建模，并且应低于铸造厂提供的最大限制。微凸块和导线的焦耳热对最大允许电流密度有显着影响，这意味着一定程度的热模拟以获得最大精度。

热完整性

了解中介层设计中的热分布以调节热完整性极为重要. 仅电源和信号完整性可能无法使您的设计免于热失控或局部热故障。如果多个芯片在 2.5D 封装中靠在一起，较热的小芯片可能会加热附近的小芯片并改变它们的功率分布，从而可能导致更多的热量。热量从芯片散发到中介层，并进一步通过 TSV 散发到基板，从而加热整个封装。为避免因热膨胀差异引起的应力和翘曲，设计人员应了解设计中每个芯片和中介层的热分布。这些图将深入了解整个 IC 封装的热分布，使设计人员能够通过中介层确定芯片之间的热耦合。

信号完整性

在 IC 封装中，高速信号通过中介层以非常高的比特率从一个芯片传输到另一个芯片。这些信号间隔很近，而且相对较长（与片上布线相比），这使得它们容易受到电磁干扰 (EMI) 和耦合 (EMC) 的影响。即使是数字设计人员也需要遵循高速设计指南以保持信号完整性. 控制 EMC/EMI 的唯一方法是使用快速、大容量的电磁求解器，提取耦合电磁模型，包括小芯片、通过中介层的信号路由和系统耦合效应。

信号完整性芯片中介 3D