芝能智芯出品

　　三維集成電路（3D-IC）作為突破平面系統(tǒng)級芯片（SoC）極限的關鍵路徑，日益成為尖端設計的主流趨勢。

　　3D-IC不僅能夠整合不同工藝節(jié)點下的異構元件于同一封裝中，還能夠滿足人工智能計算日益增長的需求。然而，這項技術的引入也伴隨著前所未有的挑戰(zhàn)，尤其是工藝和熱變化帶來的復雜性，這些因素要求設計流程的重大革新。

　　Part 1

　　熱管理：

　　核心挑戰(zhàn)與多領域影響

　　在3D-IC結構中，細小的導線和較大的組件共同作用，導致熱梯度加大且散熱受限，這不僅引發(fā)了電遷移、熱失控等微觀問題，還可能直接導致芯片失效，乃至火災等極端情況。熱效應還會通過改變光子通信的波長干擾光子學應用，進一步凸顯了熱管理的緊迫性。

　　隨著工藝節(jié)點不斷縮小至個位數納米乃至埃級別，工藝和熱變化的控制難度劇增，噪音增加、可靠性下降成為亟待解決的難題。

　　熱效應與工藝變化相互疊加，形成級聯效應，需要設計人員具備前瞻性的解決方案。熱不僅直接影響時序性能，導致線路延遲增加，還可能引發(fā)熱致翹曲、機械應力等問題，影響芯片間的連接穩(wěn)定性，從而對整個系統(tǒng)的可靠性和壽命構成威脅。

　　熱管理不再是孤立考慮的問題，而是需要在設計初期就納入多物理場仿真和全局視角，以實現性能、功耗、面積（PPA）及熱管理（T）的綜合優(yōu)化。

　　這是目前的挑戰(zhàn)：

　　● 增加的熱梯度：3D-IC 的復雜結構和較細的導線導致電阻增加，進而產生更多的熱量。大的 3D 結構會擴大熱梯度范圍，散熱途徑有限，增加了熱管理的復雜性。

　　● 熱致翹曲：高度堆積的異質材料在高溫下會導致翹曲，影響產量和可靠性米樂m6網址。隨著基板變薄，散熱效率降低，熱致翹曲問題更加嚴重。

　　● 自發(fā) DRAM 刷新和熱失控：3D-IC 中的熱問題可能導致 DRAM 自發(fā)刷新和熱失控等風險，這對設備的穩(wěn)定性和壽命構成威脅。

　　● 熱對時序的影響：高溫會導致線路延遲增加，影響電路速度和整體性能。

　　● 機械應力：熱變化引起的機械應力與材料變形相關，影響凸塊的粘附性和歐姆接觸，可能導致芯片間連接破裂。

　　Part 2

　　左移策略：應對挑戰(zhàn)的關鍵

　　面對這些挑戰(zhàn)，行業(yè)專家一致倡導“左移”設計流程，即在設計早期階段就進行熱分析和潛在問題預測，而非傳統(tǒng)的后置分析。這一策略要求設計人員、分析工程師以及封裝和PCB設計師從項目啟動之初就緊密合作，共享數據，共同工作于統(tǒng)一的數據庫中。

　　通過這種跨學科的協同作業(yè)，可以在設計過程中更早識別并解決熱問題，減少后續(xù)迭代，提升設計效率和可靠性。

　　● 早期熱分析：將熱分析前置，盡早在設計過程中進行，有助于識別和解決潛在的熱問題。這包括在設計初期進行布局優(yōu)化和熱可行性分析米樂。

　　● 熱柱和散熱器：通過在設計中引入熱柱來將熱量從熱點區(qū)域引導出去，并在必要時更改封裝設計（如增加散熱器）。

　　● TSV 管理：在使用 TSV（通孔）時，控制填充和制造工藝，以避免翹曲和其他機械問題，確保平面度。

　　● 協作和工具：采用統(tǒng)一的設計數據庫，促進不同團隊之間的協作，并使用能夠處理大規(guī)模熱分析的工具。通過共享數據庫，設計師和分析師可以更好地協作，減少迭代次數，提高設計效率。

　　● PVT 傳感器和熱節(jié)流：盡管 PVT 傳感器可以監(jiān)測和緩解局部熱問題，但這種方法犧牲了性能。盡量通過設計優(yōu)化減少對熱節(jié)流的依賴。

　　3D-IC 的熱管理要求從整體上考慮芯片設計、封裝和 PCB，而不僅僅是單個組件。設計人員需要在熱分析時考慮整體設計，以減少熱問題對性能的負面影響。

　　熱管理不再是短期問題，而是影響芯片長期可靠性的關鍵因素。通過提前規(guī)劃和構建冗余來提高芯片的可靠性。改變傳統(tǒng)的設計流程，采用新的設計和分析方法雖然挑戰(zhàn)巨大，但從長遠來看可以提高成本效益和設計效率。

　　隨著芯片被廣泛應用于關鍵領域，其可靠性成為了不容忽視的重點。熱管理與材料科學、冗余設計的結合成為提升長期穩(wěn)定性的關鍵。例如，TSV（硅通孔）作為3D-IC熱管理和互連的關鍵技術，其自身的可靠性問題也需得到重視。

　　小結

　　3D-IC的復雜性和由此產生的熱管理挑戰(zhàn)正驅使半導體行業(yè)重新評估和優(yōu)化設計流程，促進各專業(yè)領域間的協作與融合。通過“左移”策略的應用，結合先進的分析工具和跨領域合作，可以更有效地應對熱效應及其他多物理場問題，從而加速技術創(chuàng)新，推動行業(yè)持續(xù)進步。

　　熱管理不僅是當前面臨的最大挑戰(zhàn)，也是推動行業(yè)變革、促進合作的關鍵驅動力。面對未來，設計人員和工程師們需要攜手，利用人類智慧和科技進步，共同探索更高效、可靠的3D-IC設計之道。