进入热点:要求在3 d-ic成功的热管理

速度、密度和功能的电子产品都增加,电力已成为一阶司机几乎在所有的电子系统。例如,它也认识到,热量通常是3 d-ic设计的首要限制因素。高速芯片堆叠在一起在一个小住房使事情快速加热。最常见的一个设计师应对过热是降低时钟速度,从而降低系统的性能。然而,这只是治标,而不是原因。有办法通过设计更好的预测和兽疥癣热量随着行业采用2.5 d / 3 d-ic设计?

热分析通常被作为一个事后的想法——通常只在董事会层面上。这种方法不再是站得住脚的成功multi-die设计热弹性必须设计,事后不固定。是有用的短暂考虑改变在今天的技术,导致如此多的热管理的担忧。

挑战3 d-ic热管理

晶体管密度:尽管灭亡的谣言,摩尔定律仍然是压缩更多的晶体管到相同的物理区域,这自然增加了芯片的功率密度在更高级的节点。

2.5 d / 3 d集成密度:3 d-ic集成多个chiplets接近衬底,或堆叠在彼此之上,增加了更多的电路密度的摩尔定律和加剧了冷却问题

高性能:3 d-ic架构主要是用于高性能应用程序本质上是大功率的。考虑到如果multi-die系统不高性能,然后更成本有效实现它作为一个传统的印刷电路板(PCB)。所以,3 d系统本质上是很难酷也经常的推动高绩效的局限性。

异构集成和热梯度:单片芯片物理小而均匀,所以他们的温度梯度通常较小,相对容易建模。异构3 d-ic架构,另一方面,包括各种各样的材料和组件分布在相对较大的距离。换句话说;他们比单片芯片更均匀。这有3个影响热可靠性:

• 显著的热梯度可以持续在数量级较大距离3 d-ic模块,相比单一的芯片
• 异构材料组装multi-die系统可以有微分热膨胀跨范围的操作温度。这将导致机械应力和弯曲
• 之间有一个基本的不匹配的时间常数控制电活动的热传导,这变得更有意义的系统变大。这意味着3 d-ic系统活动的分析必须在更长的时间框架比单片芯片以捕捉热输入的变化。

图1:从Ansys热机械分析结果显示在2.5 d-ic和温度梯度产生的机械弯曲20度和245摄氏度。

更高的温度:有人可能会认为多氯联苯总是不得不处理异质性和大型物理距离,那么是什么让3 d-ic不同?答案是更高的功率密度和更高的温度。现代图形处理器(GPU)或机器学习(ML) chiplet很容易消耗几百瓦。把两个chiplets放在相同的3 d系统会导致更高的温度和更严重的热效果比你会发现在一个常规的PCB。

制造公差:之间的互联chiplets依靠microbumps焊料厚度小于10微米。的焊锡量microbump约两个数量级小于传统的倒装芯片联合。这意味着,即使轻微的弯曲或扭曲的插入器衬底带来了重大的可靠性风险。此外,这些microbumps正在呼吁集体携带数百瓦的功率-任何地方过热会导致热衰竭的微小结构。

既然我们已经确定了一些原因热管理已经上升到顶部的每3 d-ic设计师的问题,让我们看看哪些技术和方法解决方案可用来成功管理热设计。

成功的3 d-ic热管理功能

Ansys其客户的数量激增2.5 d或3 d-ic设计项目。基于我们的经验,这里有一些有效的热管理的功能设计人员部署在生产3 d-ic项目:

早期热地板计划/原型:传统上,热分析是留给包设计师做最后的设计过程。但把一双热chiplets太近会厄运3 d-ic设计从一开始就。作为一阶关键参数、热分析和系统可行性必须“左移”和原型在地板上的早期规划阶段。原型设计的两个关键的挑战是(一个)早期快速构建物理模型,获取物理尺寸和材料性质和(b)把这些早期RTL-level功率估计(参见下面的活动向量)。

AI /毫升系统优化:3 d-ic设计可以惊人的复杂性和更多的自由度比单一的芯片和比在PCB组件之间的相互作用更强。优化热或其他主要目标这样一个系统是一项艰巨的和乏味的任务如果手动完成的。越来越多的人工智能和机器学习(AI /毫升)算法被用来快速高效地扫描解决方案空间最优的系统配置。Ansys optiSlang是这种工具的一个例子,可以指导设计师完成一个不可能的竞争和冲突的设计选择。

高容量分析工具:3 d-ic项目比单个芯片和更大的增长速度超过了仿真算法可以改善。增加容量的答案是层次结构(见下文)和分布式计算(云)。热工具,权力必须云优化,高容量的解决方案,提供高效的分布式计算功能。当前技术常常忽略的一个完整的设计,以减少计算工作量。这就很难证明随着元素越来越多的相互依存的。

降维模型(rom):另一个重要的工具来管理3 d-ic项目的规模和复杂性与降维模型是一个层次的能力。Ansys,例如,生成芯片热模型(CTM),芯片功率模型(CPM),芯片信号模型(CSM),芯片静电模型(CESM)和更多的削减在系统级别所需的数据量。这些可以做完全的系统模拟与多个复杂的芯片,同时保持准确的结果。

图2:Ansys Icepak使用计算流体动力学模拟模型在一双散热器风扇吹气。这个系统级热分析与芯片热集成模型(CTM)收敛在一个温度的解决方案。

解决多重物理量:很明显从上面讨论的挑战3 d-ic设计凝聚生理效应,被认为是只有包装团队或仅由董事会层面的团队。3 d-ic热分析是与这些交织在一起,需要并发多重物理量分析。例如,Ansys CPM预测芯片的温度如何影响产生的力量》,以及其他。另一个例子是如何铸造电迁移限制和薄层电阻温度的依赖,而电阻加热——来自Ansys的结果压降分析-改变了当地的热图像。

计算流体动力学(CFD):建立环境热“边界条件”需要建模的散热器,对流,并迫使气流冷却风扇。这个重要的步骤依赖于流体建模与芯片的系统级热模型(CTM)收敛的结温3 d-ic组装。作为一个领导者在系统级工程模拟,有限元分析软件在芯片功率分析几十年的经验,系统级热分析、CFD模拟,都可以应用多重物理量的解决方案。

长活动向量:活动的主要驱动力量和热分析的目的,硬件模拟器是最现实的长期活动的信息来源。热流动需要数以百万计的活动向量可靠模型使用模式(例如,音频处理,视频和音频,启动模式,等等)足够长的时间来捕获慢热的影响。热分析不能假设静态或平均温度。如果活动水平在两个芯片在堆栈都是同步的,这样他们的活动导致他们热在同一时间在同一个地方,平均不描述一个可靠的设备将如何执行。模拟器与热管理工具是很重要的,可以给早期的力量估计,跑得快,并给出可操作的反馈。Ansys发展直接流接口与来自多个供应商的硬件模拟器在RTL级。这些允许生成和分析很长时间活动向量为Ansys分析工具不需要巨大的中间数据文件。

图3:详细通过Ansys热分析RedHawk-SC Electrothermalof chiplet插入器,用准确的温度和电流结果撞到每个连接。

机械应力/弯曲:3 d-ic总成机械脆弱远比单一的芯片。微分热膨胀由于陡峭的热梯度随时间导致支持插入器变形,扭曲,整个连接microbumps产生机械应力。这是一个重大的可靠性风险,容易导致场失败后少量的热循环。再一次,Ansys的阵列系统仿真工具功能机械动力学与3 d-ic集成设计工具给直接图形反馈由于机械应力和变形温度。

这个列表,而不是完整的,包括许多功能,应该在你的清单在考虑转向2.5 d / 3 d设计流程。可以添加更多的考虑,比如检查你是否铸造支持和赞同你打算使用热分析工具(见Ansys与台积电将热分析3 d IC设计的解决方案)。首先应该清楚什么是真正的多重物理量的性质相结合的挑战和超过传统的芯片,挑战包,和系统设计。与一只脚落在半导体功率分析和另一只脚的世界领先的系统级分析的方式,Ansys多重物理量的解决方案可以帮助3 d-ic设计团队总他们的专业知识来满足multi-die热的挑战。更多信息关于Ansys RedHawk-SC电热,多重物理量分析multi-die芯片封装和互联解决方案,收听这个网络研讨会,电热签收为2.5 d和3 d-ic系统[SemiWiki]或访问的有限元分析软件网站。