可靠性挑战影响3D IC半导体设计

3D IC代表了异构先进封装技术向第三维度的扩展，与2D先进封装相比，其设计到可制造性的挑战类似，同时还存在额外的复杂性。虽然尚未普及，但芯片标准化倡议的出现以及支持工具的开发使得3D IC对更广泛的玩家变得更为可行和有利可图，包括那些生产规模较小的大大小公司。

3D IC的实施使得公司可以将设计分成功能子组件，并在最适当的工艺节点集成生成的IP。这有助于实现低延迟、高带宽的数据传输，降低制造成本，提高晶圆产量，减少功耗，从而降低整体开支。这些吸引人的优势推动了先进异构封装和3D IC技术的显著增长和进步。

在传统集成电路（IC）设计和制造领域，依赖签署策略是司空见惯的。晶圆厂通常会在特定工艺的设计规则、LVS和可靠性规则中提供设计支持。然而，这种传统方法对于3D IC先进异构封装来说是不足够的。与传统IC不同，3D IC包括多个层，使用混合工艺，挑战了单层上的所有元素都是共面的假设。在3D IC中，组件的垂直堆叠引入了复杂性，使得半导体和IC封装设计工程师难以评估具有不同工艺技术的组件之间的相互作用，并确定哪些交互作用应该优先考虑。

在确保可制造性和可靠性方面，我们不能仅仅依赖晶圆厂或外包半导体封装和测试（OSAT）供应商提供的通用设计工具。相反，我们需要借助3D IC设计师的思想。规划工具对于协助封装架构师进行楼层规划决策并将此信息提供给半导体和IC封装设计工程师至关重要。这些信息应包括组件的垂直堆叠方式，而不仅仅是它们的一维布局。我们还必须将对特定元素的检查与单个层定义分开，因为不同的工艺可能对相似结构的层编号不同。这些信息可以在早期使用3D IC原型设计和规划工具提取。

规划和楼层规划工具在确保装配体架构的正确对齐和可制造性方面发挥着至关重要的作用，这通常是在片上系统（SoC）领域通过设计规则检查（DRC）完成的任务。然而，仅仅依赖DRC并不能保证期望的功能。幸运的是，布局与原理图（LVS）分析具有双重作用，不仅可以确认可制造性，还可以验证布局是否准确地表示了预期的电气结构和行为。与在执行之前进行净表列和仿真的传统方法不同，LVS对所有芯片、层和器件进行了详细分析，以验证它们与预期设计的一致性。该过程需要一个源净表，通常称为“黄金净表”，以进行准确的比较。

然而，3D IC对LVS分析提出了挑战，主要是由于插层的引入——通常是LVS无法处理的被动元件。与主动元件不同，被动元素缺乏电性能，不对电路功能产生影响，使得传统的LVS方法难以应对，因为它依赖于对电针脚电性连接的了解。此外，3D IC中有意集成的被动器件，如电容器、电阻器和光子元件，增加了另一层复杂性，需要理解各种导线放置和材料信息。

引入用于3D IC集成的新组件会给系统带来额外的寄生元件。这些寄生元件可能会影响各种行为方面——如延迟、噪声、信号完整性和功耗——从而影响满足系统设计要求的能力。为了充分了解它们的影响，对与这些组件相关的寄生元件进行准确而有效的建模至关重要。此外，3D IC组件，包括芯片和插层，垂直堆叠在一起，密度更高、距离更近，进一步影响了它们的寄生元件。

提取方法和工具的选择取决于在性能和准确性之间找到平衡。实现更高准确性涉及使用更复杂的模型和先进的工具。基于规则的工具在提供高性能方面表现出色，而基于场求解器的工具优先考虑准确性。在处理硅通孔（TSV）寄生元件时，可以使用晶圆厂的测量和内部全波场求解器开发准确的TSV模型。通过基于规则的工具，可以在互连寄生元件提取过程中高效集成这些模型。然而，这些工具在处理TSV耦合时会遇到挑战。虽然可以使用参数化表进行耦合电阻和电容，但它们有一些限制。全波求解器提供更高的准确性，但在处理真实设计中大量TSV时速度较慢。因此，理想的解决方案是一种既准确又足够快速的专用场求解器，用于整个TSV集的提取。

实施3D IC可以采用两种方法：硅连接或有机连接，每种方法都具有其自身的优势和挑战。基于硅的3D IC结构是使用放置和布线工具创建的，适用于密集设计，但受到处理正交形状的限制。相反，基于有机的3D IC结构利用类似于传统PCB导向工具的工具。

选择的技术显著影响了用于信号完整性分析的方法和工具。在硅设计中，从放置和布线工具中流出的数据通常以GDS格式呈现，缺乏传统信号完整性和电磁（EM）工具所需的详细信息。这种不足需要额外的手动步骤进行提取，延长分析过程并限制迭代次数。虽然数据表示对硅设计中的电磁提取构成挑战，但专用的寄生元件提取工具可以帮助缓解这些问题。

相反，有机工具更符合以PCB为导向的方法，包含更多智能数据，包括设计数据库中的净名和各种结构类型。这一特性减少了寄生元件提取设置的时间，使该过程更少出错。它将提取和分析推到了设计流程的更前端，有助于根据寄生影响及早确定芯片-封装楼层平面图中的必要变更。通过在适当的阶段利用适当的分析能力，设计人员可以在设计过程的早期做出准确性和性能的权衡，从而在总体设计上签署时充满信心。这种积极主动的方法使设计人员能够提前利用3D IC设计的优势。