芝能智芯出品

　　三維集成電路（3D-IC）作為突破平面系統級芯片（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，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，還可能引發熱致翹曲、機械應力等問題，影響芯片間的連接穩定性，從而對整個系統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）的綜合優化。

　　這是目前的挑戰：

　　● 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 DRAM 刷新和熱失控：3D-IC 中的熱問題可能導致 DRAM 自發刷新和熱失控等風險，這對設備的穩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：應對挑戰的關鍵

　　面對這些挑戰，行業專家一致倡導“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，共同工作于統一的數據庫中。

　　通過這種跨學科的協同作業，可以在設計過程中更早識別并解決熱問題，減少后續迭代，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 傳感器和熱節流：盡管 PVT 傳感器可以監測和緩解局部熱問題，但這種方法犧牲了性能。盡量通過設計優化減少對熱節流的依賴。

　　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。通過提前規劃和構建冗余來提高芯片的可靠性。改變傳統的設計流程，采用新的設計和分析方法雖然挑戰巨大，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正驅使半導體行業重新評估和優化設計流程，促進各專業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，從而加速技術創新，推動行業持續進步。

　　熱管理不僅是當前面臨的最大挑戰，也是推動行業變革、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。