中文 英语
18.luck新利
的意见

3D-IC的计算电磁模拟挑战

曾经的PCB规模问题现在被压缩到单个堆叠或互连设备中。

受欢迎程度

Kelly Damalou和Matt Commens著

当今半导体设计的创新主要由AI/ML、数据中心、自动驾驶汽车和电动汽车、5G/6G和物联网驱动。最近开发的2.5和3D-IC硅封装技术已经超越了上世纪90年代首次将数字、模拟和存储功能结合在一块芯片上的SoC技术。这些先进的封装技术已经实现了摩尔定律的有效重生,近年来,由于热的限制,摩尔定律已经放缓到晶体管特征尺寸以及硅中的量子效应

实现预期的功能和性能提升需要克服一系列技术、设计和制造方面的挑战。曾经的PCB规模问题现在被压缩到一个单一的堆叠或互连设备中,导致所需的更小的外形尺寸和潜在的性能提升,但伴随着信号和电源完整性以及热和机械效应的挑战。这些挑战的结合最终需要使用多物理场建模和仿真。

插入体是集成电路封装的一种新方法,通常在硅工艺中设计和制造。插入体被认为是实现3D-IC技术的关键途径,目前是设计和仿真领域的一个活跃领域。使用硅作为衬底的优点之一是它易于支持标准芯片功能,如金属走线和通孔,与有机技术相反,它与模具的热匹配潜在地解决了许多热问题。

有几种数值技术可以求解插入体和3d - ic的电磁问题。迄今为止,电磁学中最通用的技术是有限单元法(FEM)。由于其在CAD、材料处理和多物理解决方案中的灵活性,FEM得到了广泛而成功的应用。当与物理驱动的自动自适应网格相结合时,FEM可以提供准确可靠的解决方案。基于此,FEM已被应用于芯片尺寸的精细特征到封装、PCB和天线上,当扩展到先进的求解器技术时,如应用于弹性高性能计算(HPC)硬件的域分解方法(DDM),一直向上通过大型系统。此外,有限元法还可以与其他大规模技术相结合,如矩量法(MoM)或射射线反射法(SBR)。

图1:全系统有限元分析:芯片封装电话车厢的EMI/EMC研究。

片上电磁萃取采用准静态求解器,返回RC(电阻,电容)SPICE格式模型。这些求解器由于其速度和模型输出容易被电路求解器消耗而具有吸引力。然而,他们的离散RC输出忽略电感和有限的频率带宽,因此只适用于相对较小的几何尺寸。随着尺寸的增长,全波效应变得重要,例如平面片上螺旋电感和平衡管,需要考虑振幅和相位差。在这种情况下,一个常见的求解器是矩法(MoM)。在电介质上有无限薄的金属层的假设下,MoM是有效的。然而,随着特征尺寸的缩小,这些假设就不成立了,金属层在靠近相邻导体时不再显得很薄,而且是二维的,而是三维的。在这种“3D状态”中,MoM部署的1D和2D元素难以充分捕获来自相同或相邻层上相邻导体的耦合影响,从而影响电子的流动。这直接影响到迹自和相互电容和电感,这对精确的质量因子q很重要。快速多极方法(FMM)等方法为了提高MoM的速度和容量而忽略了彼此相距较远的元素的耦合,但这种弱耦合的计算方法是有问题的。另一方面,pec - rwc计算了所有网格单元之间的耦合,因此即使在最高频率下也可以非常准确地预测弱耦合。

转到硅基插入体,由于其设计、用途和制造的性质,它们处于准静态RLC模型没有足够带宽的物理状态,在插入体的3D性质下,MoM求解器将面临精度问题和效率低下,并且可能不需要FEM的通用严格性。这里的一套耦合技术称为部分元件等效电路(PEEC)和随机游走电容(RWC)可以一起提取,在一个非常有效的方式,高度准确的全波电磁模型。

图2:48条信号线和输电网的中间体PEEC网格。

pec - rwc通过生成分布式RLCk模型来实现这一性能,该模型通过先进的hpc支持的模型降阶(MOR)技术,可以非常快速地提取全波模型。此外,可以扩展pecc - rwc以处理现代半导体工艺中小特征尺寸下普遍存在的布局依赖效应(LDE)。pec - rw绝不局限于解决中间元件,它也可以以同样有效的方式建模离散元件,如螺旋电感器和平衡子。另外,离散器件建模并不局限于单个或几个组件。pecc - rw求解器可以跨多个设备执行完全耦合的模拟,其规模可以在多通道射频收发器中找到。

图3:外围有多个无线电的射频收发器。

除了求解器的考虑外,用户是否有能力有效地使用它们。无论解算器多么强大,如果用户无法访问该功能,则会限制其有用性。拥有覆盖IC或封装/PCB/系统等多个工作流的平台,以满足适当的工程技能集,对于允许这些技术覆盖各种行业需求,并使工程师能够为其市场提供前沿解决方案至关重要。

3D-IC在未来很多年都将是一项令人兴奋的前沿技术。计算多物理场已经被证明是开发此类设备的各种设计和验证方法以及相关EDA工具堆栈的重要组成部分,并且它正在加入其他先进技术领域,为其最终用户产品和系统的虚拟原型模拟领域。

在未来的一年里,Ansys将经常讨论3D-IC的电磁仿真和计算多物理场。你可以点击下面的链接加入讨论。请继续关注2023年的更多信息。

Matt Commens是Ansys公司负责产品管理的高级经理。



留下回复


(注:此名称将公开显示)

Baidu