传热、电迁移、应力、应变和热膨胀对堆死构成挑战。
科技的进步导致了日益复杂的发展和人口的集成电路(ic)。跟上日益增长的需求的高性能和低功耗设备,行业转向3 d-ic设计。3 d-ics有许多应用在广泛的行业,包括消费电子、通信、计算和汽车。
3 d-ic技术是指一系列包装multi-die集成电路技术,在多个半导体芯片——称为“chiplets”——彼此离的太近(2.5 d-ic)或其他堆在一起(3 d-ic)。在矽的chiplets使用硅插入器互联通过(tsv),穿透硅插入器,使所有层之间的联系。tsv提供互连长度短,降低寄生电容,和更高的带宽,从而提高系统性能。这个技术允许异构集成芯片等领域的逻辑、记忆、传感器、微机电系统(MEMS)、更紧凑的形式因素,导致更高的性能,更低的能耗,减少形成的因素。
芯片系统(SoC)是每个IC设计师的首选,因为它提供了更高的性能和扩展功能。但soc是整体和集成的混合元素到一个死延迟产品交付和集成电路的总成本增加。
有几个局限性SoC设计方法。的一个主要的限制是芯片本身的大小,因为所有电子系统的组件被放置在一个芯片上。这意味着,数量和类型的组件,这些组件可以集成到一个SoC芯片上的可用空间的限制。
SoC设计的另一个限制是生产过程的成本和复杂性。尽可能多的组件集成在一个芯片上,需要先进的半导体制造工艺,可昂贵和复杂。这可以使它具有挑战性的大量生产soc和可以限制他们的商业可行性。
因为所有的组件都是紧密的SoC包,这将导致增加能耗和降低性能。一个高水平的集成也限制了系统的灵活性和可升级性。总的来说,虽然SoC设计提供了许多好处,比如较小的规模和降低复杂性,重要的是要仔细考虑潜在的局限性在决定使用这种方法。
上面提到的限制鼓励设计师走向更革命性的方法:3 d-ic设计。这种方法提供了几个优势传统2 d-ic设计,包括提高性能、降低功耗,和一个更小的形式因素。3 d-ic设计技术允许异构集成,更有效的利用空间,改善电气性能比传统2 d-ics。
3 d-ics使用硅插入器,为更好的连接在不同的IPs tsv。硅插入器是一个薄的硅晶片用于2.5 d和3 d-ic设计连接多个模具或芯片在一个包中。它作为一个衬底模具放置和使用小模数垂直tsv和microbumps连接。这允许更好的散热,降低功耗,更高的密度,改善电气性能比传统2 d-ics。
有几种多重物理量挑战3 d-ic设计,包括传热、电迁移、应力、应变和热膨胀。这些挑战出现的复杂和相互关联的自然3 d-ics,多个模具的堆在一起,用tsv和microbumps连接。
热膨胀是3 d-ic设计的一个挑战。作为集成电路的温度变化,集成电路中使用的不同的材料在不同的利率,将扩大造成压力和弯曲,影响其性能和可靠性。传热的温度分布可以进一步复杂化3 d-ic设计。由于高密度的晶体管和其他组件,在3 d-ics传热都很困难。大部分的热量被困在这个系统,这有助于增加温度。这种现象被称为自动加热。3 d-ic构成数十亿组件通过长连接互连导线。焦耳加热造成这些长连接是另一个主要问题领域,有助于整体温度升高。这些热源必须监控和分析在设计3 d-ics确保性能可靠。
热分布multi-die 3 d-ic系统。
Ansys RedHawk-SC电热提供了一个标准的技术研究和模拟的热行为3 d-ic使用硅插入器设计。您可以建模的几何和材料特性3 d-ic设计,包括硅插入器,模拟设计内的传热。你也可以分析温度分布和散热设计是否符合需要的热力性能规范。
电迁移是3 d-ic设计的另一个重大挑战。这指的是导体中电子的运动,从而导致损坏集成电路。这是特别有问题的3 d-ics由于组件的高电流密度,从而增加电迁移的风险。工程师可以签署电迁移可靠性不假思索的两倍Ansys Redhawk-SC。
电源完整性和信号完整性总是任何IC设计师首要关注的问题。电源完整性结果更复杂3 d-ics由于其复杂的几何形状。功率和温度之间的关系进一步复杂化。系统中的每个块的能耗不同,产生不同的温度分布在每一块。为了优化电力系统的完整性,设计师必须克服这些多重物理量的问题出现在3 d-ics。用Ansys软件,很容易产生权力模型模块和模拟系统的行为。
3 d-ic设计是一项革命性的芯片集成方法,提供小外形,但是有许多多重物理量的挑战。解决这些多重物理量挑战成功的设计和实现是至关重要的。使用仿真技术,可以分析信号完整性、电源完整性、和热完整3 d-ics确保设计满足所有需要的性能规格。
查看相关研讨会”热硅插入器设计的完整性挑战和解决方案”。
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