3D-IC可靠性随温度升高而降低

3D-IC设计的可靠性取决于工程团队控制热量的能力，热量会显著降低性能并加速电路老化。

虽然至少从28nm开始，热就一直是半导体设计中的问题，但在3D封装中处理热问题更具挑战性，因为电迁移可能会在多个层面上扩散到多个芯片。

Cadence公司产品管理总监Rajat Chaudhry表示:“由于配电网络将电流输送到所有晶体管，随着时间的推移，会发生电迁移，这是一种电子漂移，会导致电线的结构发生变化。”“电网中的单向电流越多，电迁移问题就越严重。必须进行分析，以确保不存在与电迁移相关的电磁缺陷，例如测量电网中每根导线将携带多少电流，以及根据导线中的电流密度，在不对导线造成结构损坏的情况下，它预计能工作多长时间。”

EDA工具可以解释平面芯片中的电迁移，但在3D芯片和封装中就不是那么简单了。Synopsys研究员罗布·艾特肯(Rob Aitken)说:“在这两者相互接触的边界处，有各种各样的研究试图了解这一点。”“例如，如果你使用焊料球或微球进行连接，这些焊料球中的电迁移可能会很严重。它们可能会发生物理变形，也可能会断裂，特别是当它们受到大量电流时。这才是你关心的效果。例如，如果你让一些东西在铜质中相互接触，效果就会不同。”

如何解释这些影响还不完全清楚。艾特肯说:“真正有趣的是在结尾和保证金部分。”“这与ucie类型的情况不同，后者在一边有一个PHY，在另一边有一个PHY，它本质上能够处理很多奇怪的信号，并在运行中进行错误纠正。如果你只有一堆逻辑连接，然后说，‘我要把这个堆在另一个上面，我将有1000万个逻辑连接在它们之间上下移动，’电迁移是你必须关心的事情，因为它会破坏2D设计中存在的一些假设。”

例如，在平面设计中，假设在金属层之间有信号路径，这些金属层将以相同的方式表现。但在3D设计中，Metal2可能位于不同的芯片中，看起来与平面芯片中的Metal2完全不同。“如果它上升和下降了几次，现在你就得到了一条包含多个相关变化来源的路径，以及多个你必须考虑的独立变化来源，”他说。“你必须要做的是，通过签署一些东西并声明，‘有这么多的裕度，所以我将忽略它，’或者我将尝试以某种方式匹配这些东西，这样当我把两个骰子放在一起时，我将确保它们来自相似的过程角。如果一个是3nm的，一个是7nm的，那就有点棘手了。相似是什么意思?”

在3D中，温度变化需要从架构上考虑。因为一个处理器会产生热量，所以可以合理地假设，如果在它上面再加一个电路，它的热量就会与晶体管的密度和使用率成比例。同样地，在内存上堆叠内存可能会产生最小的热影响，但由于接近效应以及热量如何在不同组件和层之间消散，实际情况要复杂得多。

艾特肯说:“你记忆的一部分可能与另一部分的温度不同，这在记忆中通常不会发生。”“在2D存储器中，感觉放大器或地址电路或字行可能会发热，但比特单元大多是冷却的。在3D版本中，如果它堆叠在一些热源上，那么实际上可能会有一大块比特单元是热的，而另一大块比特单元是冷的，这可能会产生意想不到的行为——除非设计芯片的人考虑过它们。建筑师需要做更多的工作，思考来自其他地方的热量可能带来的热影响。”

简单地说，3d - ic增加了一个全新的复杂性水平，可以影响从芯片性能到不同部件老化速度的一切。

乔杜里说:“电力来自电路板，然后通过封装进入芯片。“现在的情况是，有多个芯片或芯片封装在一起，有时它们彼此堆叠在一起，所以在许多情况下，功率分配不仅仅通过封装到芯片。它实际上是通过封装，从一个芯片到另一个芯片。这为电力网络的电气特性建模增加了另一个层次的复杂性，它增加了电力网络的规模，因为现在你有多个芯片。这是一个需要更多创新的领域。我们必须模拟所有的功率，同时还要包括热量。就可靠性而言，热是一个大问题，随着温度的升高，电迁移会呈指数级恶化。这也是你需要确保芯片在特定温度下工作的另一个原因，因为随着温度的升高，可靠性会降低很多。”

对于3d - ic来说，高温的影响尤其具有挑战性。他说:“计时工具并不期望电压有很大变化。”“同样，当可靠性和时序建模时，我们不期望芯片上有很大的热变化。这些模型是建立在芯片上的一定温度范围上的，比如115°C，但不应该在芯片的一边是20°C，另一边是115°C。如果你有很多变化，那可能会导致失败。在3d - ic中，随着整个系统变得越来越大，从一个芯片到另一个芯片的功率越来越大，你可以看到芯片之间有很多热变化，这可能会导致定时故障。

芯片或系统需要保持在一定的温度以下，这是最重要的问题，因为非常高的温度会破坏两者。乔杜里说:“温度变化需要保持在一定范围内。”“然而，由于这些芯片是堆叠在一起的，光是控制总温度本身就成了一个挑战。它需要一个多物理的解决方案，因为热是一个不同类型的物理问题。电分析是一种不同的物理问题。有多种相互作用的求解器。高热增加，就像芯片上的电阻，会改变芯片的电学性质。”

此外，电迁移对3D设计的影响不同于2D设计，因为3D- ic的互连对系统内的多重应力更敏感。

Ansys电子、半导体和光学业务部门的首席技术官兼研究员Norman Chang表示:“3D-IC设计的互连对3D-IC设计的可靠性非常重要，因此设计人员需要检查电迁移。“对于3D-IC设计，使用不同的互连，包括tsv(穿过硅孔)，互连在中间，直接铜-铜键合互连(垂直堆叠的模具，如台积电的SoIC和英特尔的Feveros direct)，在CoWoS FOWLP中的RDL等。”

电迁移也会影响器件的使用寿命。Chang说:“电迁移可能会导致互连点上形成空洞或小山丘，从而改变连接到器件的互连点的电流密度，并导致互连点和器件老化。”

其他影响衰老的因素包括负偏温不稳定性(NBTI)，它会导致V_th驱动电流(离子)的位移和损耗对PMOS的影响更大;热载流子注入(HCI)，强电流导致晶体管开关性能下降;以及随时间变化的介电击穿(TDDB)，由介电介质上的持续电场引起晶体管故障。Chang说:“所有这些影响都对3d - ic中的温度非常敏感，更高的温度会加剧互连和设备的电迁移和老化。”

尽管解释这些影响颇具挑战性，但其影响是众所周知的。imec可靠性小组组长、可靠性科学主任Kristof Croes表示，当空洞开始出现时，IR下降会系统性地增加。“它要么会导致芯片性能的缓慢下降，要么会导致灾难性的故障，工作中的芯片‘突然’不再工作了。”

这有助于解释为什么把一个芯片分解成小芯片是如此复杂。西门子数字工业软件公司(Siemens Digital Industries Software)产品管理总监约翰·弗格森(John Ferguson)说:“很多加热和冷却的过程都会产生影响。”“它会在多晶硅或硅本身或金属化中引入间隙性小裂缝，所以即使你可以DRC/保护带并说，‘我可以摆脱我知道是失败的情况’，当你有这些小裂缝时，它们不会永远保持小。你开始使用这些设备，它们变得越来越热，越来越冷，它们在收缩和收缩，有电迁移发生，各种奇怪的事情发生。这些问题会越来越大，直到爆发。”

更糟糕的是，当所有这些芯片和互连被组装到一个包中时，除非定义了组装系统，否则不可能知道这些限制。西门子数字工业软件(Siemens Digital Industries Software) Calibre接口和mPower产品管理高级总监约瑟夫•戴维斯(Joseph Davis)表示:“这在很大程度上取决于所有部件。”“人们现在想做的一件伟大的事情是把来自不同制造商的芯片放在一起，这就产生了一个系统问题，所有这些型号和限制现在都从不同的铸造厂交叉到第三方。从知识产权的角度来看，这是非常具有挑战性的。如果你真的想从集成的角度突破你能做的事情的边界，你也已经为你能做的事情画了一个框框，因为你必须从一个制造商那里做所有的事情。与典型的平面模具相比，3D电迁移最大的可靠性问题是开裂。与路由相比，tsv很大，但它们并没有真正的电迁移。在边界处有电迁移，因为空隙的积累，但最重要的是你有一块巨大的金属，在这些模具之间有钝化等等。现在你承受所有的压力，它就会破裂，但裂缝是晶体缓解压力的方式。你给一块玻璃施加压力，最终它会破裂。”

平面和3D器件电迁移的另一个主要区别是功率密度增加了，因此封装中的热密度也增加了。“电迁移是温度的指数函数，”戴维斯说。“它变得越热，就越有可能迁移，因此你能处理的电流就越小。但对于3D，研究表明可靠性和tsv的电迁移以及连接更与热引起的应力有关当你把这些模具放在一起时。所以不仅仅是电流密度。单个芯片中的电流密度会因热而加剧。我有一个热芯片正在撞击其他电路。我甚至可能没有设备，但是我在硅下面传递路由信号，这将会受到影响。这三件事结合在一起，你有压力，热和电迁移，最终影响电流密度，你可以驱动或你的技术。这是一个循环问题。 I’m going to choose this technology, which has these design rules in this area, and now I’ve got a thermal problem.”

他说，考虑到目前的复杂性，每个堆栈都是唯一的，这只会使问题复杂化。“每次客户说，‘嘿，铸造厂先生，我想做这个堆栈，’他们必须指定，‘我想把这个芯片和另一个芯片放在一起，然后这个芯片和这个中间物放在一起。然后代工公司必须与EDA供应商合作，提供所有的抵押品。他们不能只是拿那些标准的pdk，然后在它们周围绑上一些电线。”

前进的道路
实现设计成功的唯一方法是在设计阶段的早期开始解决问题。Cadence公司的乔杜里说:“以前，你要设计芯片，在贴上芯片之前，我们通常把电源分布检查称为签名。”“你要确保一切都好。你会得到一些错误，然后修正它们。但现在，由于压力问题变得如此局限，如果你不在设计的早期就解决这些问题，你可能会在接近磁带使用日期时出现大量错误，你将没有时间修复它们。使用3d - ic，你需要做早期分析，因为一旦你设置了不同的芯片堆栈，然后发现你不能正常供电，你不能轻易改变你的芯片堆栈。早期的功率和热分析对3d - ic来说非常关键。”

为了避免3D-IC设计中的一些问题，设计团队应该与代工厂密切合作，除了常规金属层外，还应对3D-IC互连上的这些电迁移效应进行全面的模拟/分析。

但这在很大程度上也归结于已经存在了一段时间的相同规则。Synopsys的艾特肯说:“尽量避免在太小的电线上输入太多电流。”“设计师们早就意识到了这一点。我们头脑中都有这样一个关于电是如何工作的模型，它只是说有这些小电球，它们沿着电线滚动，但实际上并不是这样工作的。电流来自于电子的运动，但电子不以光速运动，而电流以光速运动。所以实际发生了什么以及电荷如何从这里到那里的区别，这部分才是电迁移的关键。你可以有一根导线，它的平均电流不太大，但在很短的时间内，它的局部电流很大。这就是你在设计电力网络时必须从架构上考虑的问题。”