3D-IC 以及傳熱模型的重要性

縮小集成電路的總面積是 3D-IC 技術(shù)的主要目標(biāo)。

開發(fā) 3D-IC 的傳熱模型，有助于在設(shè)計和開發(fā)的早期階段應(yīng)對熱管理方面的挑戰(zhàn)。

開發(fā) 3D-IC 傳熱模型主要采用兩種技術(shù)：分析法和數(shù)值計算法。

傳統(tǒng)的單裸片平面集成電路 (IC) 設(shè)計無法滿足電子市場對高功率密度、高帶寬和低功耗產(chǎn)品的要求。三維 (3D) 集成電路技術(shù)將多個芯片垂直堆疊，實現(xiàn)電氣互連，具有更出眾的優(yōu)勢。3D-IC 電路外形小巧，集成度更高、信號延遲更低，支持異構(gòu)集成，這些先進(jìn)的功能使之具有出色的電氣性能。

3D-IC 設(shè)計的電能耗散水平和熱密度較高，這為熱管理帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

然而，3D-IC 設(shè)計的電能耗散水平和熱密度較高，這為熱管理帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了克服 3D-IC 在熱管理方面的限制，3D-IC 傳熱模型應(yīng)運而生。3D-IC 傳熱模型有助于開發(fā)新的封裝工藝。本文將討論 3D-IC 及其傳熱模型。

01

3D-IC 技術(shù)

縮小集成電路的總面積是 3D-IC 技術(shù)的主要目標(biāo)。3D-IC 的設(shè)計方法是垂直堆疊傳統(tǒng)器件層或芯片，這些層和芯片之間實現(xiàn)了電氣互連。3D-IC 技術(shù)提高了集成器件的功能、性能和封裝密度。該技術(shù)能夠減少信號延遲，提高片上通信速度。在 3D-IC 封裝中，邏輯芯片和存儲芯片之間的互連變得更短，從而提高了信號傳輸速度。3D-IC 的垂直集成密度和異構(gòu)集成度更高，與系統(tǒng)級單芯片和層疊封裝等替代方案相比更具優(yōu)勢。3D-IC 的集成方式可以是面對面集成，也可以是背對背集成。

3D-IC 可分為兩類

1

3D 堆疊 IC

堆疊 IC 芯片并使用硅通孔 (TSV) 實現(xiàn)芯片互連。TSV 是制造 3D 堆疊 IC 的基本元素。通過 TVS 蝕刻過程鉆出一個個孔，在其中填充鎢、銅或多晶硅等導(dǎo)電材料。TSV 互連縮短了各層和芯片之間的路徑，從而提高了互連密度，同時降低了功耗。

2

真正的 3D-IC

使用晶圓廠工藝在單個芯片上堆疊多個器件層。這種集成電路非常適合在既定的 footprint 區(qū)域集成更多晶體管。該技術(shù)有助于在最先進(jìn)的節(jié)點上克服單裸片的限制。

02

3D-IC 的優(yōu)勢

1

設(shè)計成本低

在 3D-IC 中，所有功能都無需轉(zhuǎn)移到先進(jìn)的工藝節(jié)點，因此降低了設(shè)計成本。

2

易于實現(xiàn)高速傳輸

3D-IC 技術(shù)的互連長度更短，從而減少了信號延遲，有助于實現(xiàn)高速通信和傳輸。

3

電路微型化

層層堆疊有助于在 3D-IC 中集成大量晶體管。晶體管的密集化節(jié)省了空間，因此 3D-IC 非常適合緊湊型設(shè)備。

4

功耗低

3D-IC 不需要使用高功耗驅(qū)動器。相反，它們依賴低功耗的小型輸入輸出驅(qū)動器。3D-IC 的阻抗較低，這一點也有助于減少內(nèi)部功率損耗。

5

帶寬更高

3D-IC 可以提供更高的帶寬特性。在 3D-IC 技術(shù)中，在處理器頂部堆疊高速緩沖存儲器可增加帶寬。

6

靈活

堆疊異構(gòu)技術(shù)為 3D-IC 帶來了靈活性。利用 3D-IC 中的異構(gòu)集成技術(shù)，可以混合部署不同的制造處理器和節(jié)點。這有助于重新使用現(xiàn)有的芯片，而無需重新設(shè)計新的芯片，可無風(fēng)險地降低成本。

03

3D-IC 技術(shù)中的傳熱模型

熱管理是 3D-IC 技術(shù)面臨的最大障礙之一。為了在既定的 footprint 內(nèi)實現(xiàn)較高的功率密度，需要將器件層堆疊在一起。堆疊層的 footprint 是固定的，通電后會造成發(fā)熱現(xiàn)象。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)再加上集成度高，增加了散熱量和熱密度。3D 堆疊 IC 技術(shù)本身就有溫度過高的特點，會在 3D-IC 集成中引發(fā)災(zāi)難性故障。

要使 3D-IC 有效工作，就必須采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?。傳統(tǒng)的空氣散熱方式不足以滿足 3D-IC 的要求，需要設(shè)計復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)來動態(tài)控制 3D-IC 的溫度。開發(fā) 3D-IC 的傳熱模型，有助于在設(shè)計和開發(fā)的早期階段應(yīng)對熱管理方面的挑戰(zhàn)。3D-IC 的傳熱模型可以解答基本的傳熱問題，要成功實施 3D-IC 技術(shù)，弄清楚這些問題非常重要。

3D-IC 傳熱模型可用于分析 3D-IC 設(shè)計熱管理的限制。該模型可充當(dāng)一種輔助工具，用于針對 IC 冷卻和封裝方式實施合適的熱管理方法，以適應(yīng) 3D-IC 的散熱需要。

用于開發(fā) 3D-IC 傳熱模型的技術(shù)主要有兩種

1

分析法

分析傳熱模型，通過求解能量守恒方程和邊界條件得出 3D-IC 結(jié)構(gòu)的溫度場。該方法可用于研究各種幾何和熱物理參數(shù)對 3D-IC 散熱性能的影響。

1

數(shù)值計算法

當(dāng) 3D-IC 具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和與溫度相關(guān)的特性時，就很難推導(dǎo)出傳熱方程的精確解。在這種情況下，可對幾何體進(jìn)行離散化處理，求出方程的近似解，以此建立數(shù)值計算傳熱模型。數(shù)值計算法能夠以可接受的準(zhǔn)確度預(yù)測溫度。

3D-IC 的傳熱模型可以確定結(jié)點溫度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的峰值溫度。傳熱模型還能確定 3D-IC 結(jié)構(gòu)中的熱點，幫助工程師設(shè)計有效的熱管理技術(shù)。

視頻使用 Celsius Thermal Solver 軟件，基于先進(jìn)3D結(jié)構(gòu)中的實際電能流動執(zhí)行靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（暫態(tài)）電熱仿真，最大程度地模擬真實系統(tǒng)的行為。

Cadence 軟件可以生成傳熱模型，用于確定每個裸片的溫度分布。Celsius Thermal Solver 提供完整的電熱協(xié)同仿真解決方案，同時滿足電子和機(jī)械工程師的熱分析需求，且適用于從 IC 到實體封裝機(jī)殼的所有電子系統(tǒng)層級。