淺談2.5D和3D-IC的預(yù)測熱完整性挑戰(zhàn)

　　在 2.5D 和 3D-IC 中，準(zhǔn)確預(yù)測熱完整性變得越來越困難，從而產(chǎn)生了一連串的問題，這些問題可能會影響從系統(tǒng)行為到現(xiàn)場可靠性的方方面面。

　　在過去的十年中，硅中介層技術(shù)已經(jīng)從簡單的互連發(fā)展成為異構(gòu)集成的關(guān)鍵推動因素。如今的中介層可能包含數(shù)十個芯片或小芯片，具有數(shù)百萬個連接，并且對性能、功耗和面積的要求不斷提高。事實上，在面積大于 2，000 mm2 的中介層上看到異構(gòu)集成設(shè)計的情況并不少見，系統(tǒng)功耗為 600 瓦，并且需要非常高的 I/O 帶寬。有了這種能力，熱完整性現(xiàn)在是一個首要問題，這使得高信心地按計劃簽字變得更加困難。

　　有許多工具可用于理解和模擬異質(zhì)硅中介層設(shè)計中的熱效應(yīng)，但目前大多數(shù)工具都是互不關(guān)聯(lián)的。這里的工作正在進(jìn)行中，但這不是一個簡單的解決方案。并不總是很清楚這些工具應(yīng)該做什么，以及所有部分如何組合在一起。

　　“人們面臨的普遍挑戰(zhàn)是從這樣一種想法開始的，‘讓我們假設(shè)這些東西是小板子。我們將永遠(yuǎn)應(yīng)用我們在板級和封裝級應(yīng)用的相同技術(shù)，我們只需縮小規(guī)模，它們就會起作用，“Synopsys 杰出架構(gòu)師 Rob Aitken 說。“這是真的，但它有幾個新的維度。首先，現(xiàn)在做這件事的人與過去不同。以前，封裝和電路板工程師會這樣做。現(xiàn)在，芯片人員也在研究它。

　　還有其他重大轉(zhuǎn)變。“當(dāng)我們進(jìn)行這些 3D 裝配時，重要的是要記住，我們正在跨越過去的領(lǐng)域，”Siemens Digital Industries Software 的 Calibre 接口和 EM/IR 產(chǎn)品管理高級總監(jiān) Joseph Davis 說?！霸?jīng)有芯片人會把芯片放在一個包裝里。然后我們有系統(tǒng)級封裝和 MCM 選項。其中很多界限已經(jīng)模糊不清。那么誰擁有什么呢？有些包裝人員正在做包裝和系統(tǒng)仿真。對他們來說，整個芯片都有一個溫度，所以分辨率是厘米大小的，用于觀察電路板上或外殼內(nèi)部的散熱情況。然后是 IC 團(tuán)隊，他們現(xiàn)在不再只有一張 IC。有一堆IC粘在一起。這個 IC 團(tuán)隊以微米的分辨率來研究事物。他們需要知道整個事情的分布情況，等等。解決方案存在挑戰(zhàn)。但實際上，物理和技術(shù)問題是這里最容易解決的部分。真正的問題是，每當(dāng)你跨越組織邊界時，你就會遇到一個真正的問題。我們現(xiàn)在將多個芯片組合在一起，有時來自不同的技術(shù)，有時來自不同的鑄造廠。即使在單個晶圓代工廠內(nèi)，每個芯片組都是獨一無二的。沒有一個過程可以將所有這些信息都導(dǎo)入到工具中。

　　圖 1：使用中介層、凸塊、微凸塊和硅通孔的高級封裝。來源：西門子

　　為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，各方之間必須進(jìn)行溝通——芯片設(shè)計公司、EDA工具供應(yīng)商、代工廠和封裝公司。

　　“即使是一家鑄造廠，我們也必須弄清楚所有需要進(jìn)來的東西，并準(zhǔn)備好所有的東西來完成工作，”戴維斯說?！叭缓笫前b和系統(tǒng)人員，他們以毫米為單位思考。因此，有兩個截然不同的用戶群，每個用戶群都有不同的分辨率。

　　并且有不同的間距和互連?！疤貏e是對于硅中介層，你正在處理一種不同的材料，”Synopsys的Aitken說?！半娐钒寤蛴袡C(jī)基板在材料上是相似的，因此人們過去在電路板中擁有的所有做法都是保持一切平衡并構(gòu)建測試車輛來測試該系統(tǒng)的極限。如果這些都有效，那就太好了，但沒有人能確定它們在多大程度上起作用。物理學(xué)就是物理學(xué)，但它會改變。如果你不小心，曾經(jīng)是二階效果的東西可能會變成一階效果。了解它的工作方式和地點很重要，即使你談?wù)摰氖菙?shù)學(xué)模型。

　　改變起點

　　一個典型的異構(gòu)集成系統(tǒng)是一步一步建立起來的。

　　Ansys首席產(chǎn)品經(jīng)理Lang Lin表示：“從系統(tǒng)的封裝基板開始，我們實際上將中介層安裝在其頂部，并連接數(shù)十萬個凸塊。“根據(jù)設(shè)計集成計劃，設(shè)計人員會直接在中介層頂部添加幾個芯片或小芯片。一些芯片通過微凸塊或銅對銅連接連接，而其他一些芯片可以以 3D 方式進(jìn)一步堆疊。由于這種集成，中介層的作用是可靠地連接數(shù)百萬個這樣的微凸塊或銅對銅連接，以便整個系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場生存。

　　這通常被稱為芯片封裝系統(tǒng)。中介層是一個橋梁，包含所有這些組件的供電網(wǎng)絡(luò)。“它還為所有芯片和芯片提供電源，并承載整個芯片和芯片，”Lin說?！暗F(xiàn)在安裝在頂部的小芯片消耗大量功率，這可能會導(dǎo)致電源完整性問題。在現(xiàn)場工作時，這些也會產(chǎn)生大量的熱量，因此現(xiàn)在 IC 有可能由于熱完整性問題而燒毀相鄰的 IC。

　　簡而言之，異構(gòu)集成會導(dǎo)致電源和熱完整性問題，甚至更多。

　　“如果你有具有高帶寬內(nèi)存的3D堆疊芯片，電源和熱量問題也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的信號完整性問題，”他說?！斑@意味著所有這些問題都在異構(gòu)集成系統(tǒng)中匯集在一起。設(shè)計人員在確保成功供電、成功散熱以及信號完整性不受影響方面發(fā)揮著重要作用。

　　對基于中介層的異構(gòu)設(shè)計進(jìn)行建模會引發(fā)有關(guān)模型完整性的問題，因為涉及的變量太多了。“你假設(shè)在某些條件下，例如，’一種材料相對于另一種材料的偏轉(zhuǎn)是線性的。然后你會說，‘嗯，實際上，在其他一些條件下，它是二次的。但二次模型要復(fù)雜得多。哪一個是正確的選擇？人們?nèi)栽谠噲D弄清楚答案是什么，以及你需要關(guān)心多少。

　　這很大程度上是抽象級別的函數(shù)。Davis指出，所有這些熱方面都可以通過非常粗略的建模和平均值來解決。“隨著新技術(shù)的出現(xiàn)以及這些技術(shù)的混合，我們在系統(tǒng)中有很多非常好的絕緣體，”他說?！爱?dāng)我們轉(zhuǎn)向finFET時，情況變得更糟。人們開始說，’供暖問題要嚴(yán)重得多。這是為什么呢？這是因為使用平面晶體管時，所有的熱量都是在硅中產(chǎn)生的。塊狀硅是一種相當(dāng)不錯的熱導(dǎo)體。它的導(dǎo)熱系數(shù)約為150。使用鰭片，你把晶體管放在上面，它被二氧化硅隔離，這是一種非常好的絕緣體。在那里，導(dǎo)熱系數(shù)為 1.4，因此為 100 倍。但是等一下。我剛剛把我的熱晶體管包在玻璃枕頭里？我該怎么處理這些熱量？我必須有辦法把它弄出來。這是通過 TSV 等完成的。此外，我們可以對這些東西進(jìn)行建模。我們每天通過模擬和 EM/IR 對比熱成像更復(fù)雜的事情進(jìn)行建模。我們有能力，是的。但是，將所有數(shù)據(jù)放在一起是一個真正的問題。系統(tǒng)和系統(tǒng)分辨率不是電子產(chǎn)品，而是工業(yè)，是最大的問題。

　　艾特肯說，這有兩個方面?！坝幸粋€方面是，‘我有一個系統(tǒng)，我有一堆方程，我將用于對系統(tǒng)進(jìn)行建模，我有實現(xiàn)這些方程的工具。然后我得到輸出。輸入部分也非常重要，因為所有的骰子都不一樣。所有材料可能略有不同。此外，工作負(fù)載是不同的，有時是未知的，所以你要處理的是我們一直在封裝上考慮的散熱問題，以及我們一直在芯片上考慮的散熱問題，但現(xiàn)在它們都合并在一起，不能被視為獨立的。這導(dǎo)致當(dāng)你把這些東西放在一起時，你需要去做盡可能多的分析，但也需要監(jiān)控你在構(gòu)建它時發(fā)生了什么，以確保你的假設(shè)繼續(xù)成立。所以你有一些東西說，’哦，我們在這里升溫。這很糟糕。讓我們放慢腳步。

　　了解熱流至關(guān)重要。熱量從物體較熱的一端移動到較冷的一端，但并不總是一致的。“熱傳導(dǎo)的概念相當(dāng)容易理解，”Ansys的Lin說，“如果你從工程101中了解歐姆定律，你就知道你可以為系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)路徑模擬具有等效熱阻的物體。給定一個特定的功率耗散值作為該系統(tǒng)的散熱器，你可以很容易地求解傳導(dǎo)路徑兩端之間的溫差。傅立葉熱傳導(dǎo)定律描述了系統(tǒng)如何散熱，以及散熱器如何影響整個系統(tǒng)的溫差。

　　通過硅中介層映射傅里葉定律更為復(fù)雜。“假設(shè)一個小芯片中有兩個熱源，”Lin說?！靶⌒酒牧诉@個硅系統(tǒng)的功率，而中介層安裝在封裝的頂部。系統(tǒng)中總共可能有四個不同的組件或?qū)ο?。我們可以對四個分量的熱阻進(jìn)行建模。鑒于兩種小芯片正在加熱系統(tǒng)，我們有兩個Q（熱流）源，它們將熱量注入熱傳導(dǎo)路徑。

　　解決這個問題可以幫助設(shè)計人員了解系統(tǒng)各組件之間的溫差，進(jìn)而更好地了解溫度分布。但Lin說，這個模型不夠準(zhǔn)確，因為每個組件只有一個等效的熱阻?！盁嶙鑼嶋H上很大程度上取決于整個物體的材料特性。有限元分析方法可用于以數(shù)學(xué)方式表示具有自身材料屬性的物理組件或系統(tǒng)，以及所有表面的邊界條件。網(wǎng)格劃分技術(shù)用于將此 IC 布局幾何形狀或?qū)ο筠D(zhuǎn)換為可識別的元素?？梢允褂脙煞N不同的網(wǎng)格方法對整個IC布局進(jìn)行建模，并且使用所有網(wǎng)格單元，我們可以以3D方式求解系統(tǒng)所有單元之間的傳熱規(guī)律。

　　這也有助于解決溫度分布問題，這是一個更準(zhǔn)確的熱模型的現(xiàn)實問題。

　　在談到這種網(wǎng)格劃分如何影響求解熱傳導(dǎo)的準(zhǔn)確性時，Lin表示，網(wǎng)格劃分技術(shù)需要不斷改進(jìn)，這是具有挑戰(zhàn)性的，因為從舊的SoC技術(shù)到最新的2.5D或3D-IC技術(shù)，系統(tǒng)已經(jīng)變得更大。這些復(fù)雜的系統(tǒng)中包含數(shù)以萬計的熱源。因此，網(wǎng)格劃分分辨率必須從厘米提高到微米，甚至可能達(dá)到納米?！拔覀冃枰粋€更精細(xì)的解決方案，精確到集成芯片的子模塊級別，以便我們可以準(zhǔn)確地模擬熱傳導(dǎo)路徑。這是非常具有挑戰(zhàn)性的，但它是解決這種系統(tǒng)的熱節(jié)流問題并確保沒有可靠性或熱完整性問題的必要條件。

　　這使得整個分而治之的方法變得更加困難。Siemens Digital Industries Software 產(chǎn)品管理總監(jiān) John Ferguson 指出，從歷史上看，熱能是用電網(wǎng)方法完成的?！澳惆咽虑榉殖尚》綁K，然后你能走多少取決于你擁有的硬件，你有多少內(nèi)存，以及你愿意等待多長時間才能得到答案。這些是你要掙扎的事情。但這種電網(wǎng)還有另一個挑戰(zhàn)，因為熱本身就是一個問題。重要的是，你要檢查一下，看看你是否確實有一個散熱問題，除了重新設(shè)計之外，無法通過任何其他方式解決。

　　熱也會影響機(jī)械應(yīng)力和電遷移/紅外壓降?！艾F(xiàn)在你遇到這種情況，你必須確保你使用的網(wǎng)格可以在這些不同的東西上以某種方式對齊，”弗格森說?！叭绻阋獓L試把它們加起來，你可以讓一個窗口與另一個窗口重疊一半。你是怎么弄清楚這些東西的？這令人困惑。這仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。該行業(yè)正在努力擺脫網(wǎng)格窗口方法，做一些更全面的事情，這意味著更多地從方程方法看待它，并從真正的物理學(xué)角度思考問題。例如，溫度在哪里下降？正是由于這些原因，整個電網(wǎng)情況是該行業(yè)的一個挑戰(zhàn)。我如何知道要選擇的正確分辨率？它足夠準(zhǔn)確嗎？它會與我需要的所有其他內(nèi)容集成嗎？擺脫這種做法是重要的一步。

　　進(jìn)化變化

　　在這個領(lǐng)域，解決方案最終會是什么樣子還有待觀察。艾特肯指出，今天將進(jìn)行廣泛的實驗，并相信在某個時候，該行業(yè)將開始合并。Ferguson說：“即使看一下軟件包選項，過去也有相當(dāng)少的軟件包，而這些軟件包的特點是封裝供應(yīng)商?！八阅阒廊绻惆涯愕脑O(shè)計放在那里會發(fā)生什么。但現(xiàn)在有許多不同的封裝設(shè)計，即使你只限于硅中介層。人們用它們做了很多事情，也有很多方法可以把它們放在一起。關(guān)于哪一個更好，并沒有真正達(dá)成任何共識。這意味著，如果您是制造商，現(xiàn)在您不僅要為每個客戶，而且可能為每個設(shè)計提供定制服務(wù)。這又是在尋找，“讓我們盡可能地嘗試過度設(shè)計，這樣我們才能認(rèn)為我們是安全的。但與此同時，要小心。

　　隨著其他材料的引入，將添加新問題。“你可以加入一些新材料，設(shè)計這些東西的人沒有很長的歷史，”他說?！案鶕?jù)你去的地方，你可以在文獻(xiàn)中找到一些關(guān)于其導(dǎo)熱性和抗拉強(qiáng)度的細(xì)節(jié)。但是，誰在進(jìn)行測量以真正將這些東西撥入其中呢？他們改變了。你會得到一批氧化物，而下一批則有點不同。至少對于熱，我們將進(jìn)行無網(wǎng)格分析。但是我們?nèi)匀挥幸粋€問題，那就是需要將其覆蓋在網(wǎng)格上，以便我將嘗試傳遞這些數(shù)據(jù)的另一件事，它需要在上游、下游以各種方式使用。歸根結(jié)底，有了這一切，我們行業(yè)一直以來的運作方式就是我們保護(hù)它。我們說，‘他們說這個東西對10%有好處。讓我們給一個 20% 的窗口來保證自己的安全。但這意味著你總是會把一些東西留在桌面上。

　　此外，早期做出決定也是一個挑戰(zhàn)。

　　“我們向架構(gòu)詢問可以組合在一起的問題，”西門子的戴維斯說?！拔矣凶銐虼蟮陌鼏幔课矣凶銐虼蟮纳崞鲉?？我們行業(yè)一直以來的處理方式是預(yù)算和近似模型，因此，當(dāng)您在設(shè)計系統(tǒng)中處于更高或更早的位置時，您就有了模型。有時，模型只是一個近似值，“我認(rèn)為這個芯片會產(chǎn)生這個溫度，因此它會像這樣導(dǎo)電。但現(xiàn)在我們看到客戶問，’我建造了這個零件。我把它放在這個包里。新版本將有一些額外的驅(qū)動程序，我希望它們會產(chǎn)生大量的熱量。我的包裹夠用嗎？在我開始影響可靠性之前，我的散熱是否足夠？在你遇到其他問題之前，必須回答這個問題。電遷移是溫度的函數(shù)，因此，如果溫度（指數(shù)函數(shù)）比您預(yù)期的高 10 度，它可能會使您的壽命縮短 5 年。工程團(tuán)隊希望更早地做到這一點，但他們沒有關(guān)于他們將使用的技術(shù)的信息，只能說，‘我們正在考慮這個問題’。

　　結(jié)論

　　可以肯定的是，如果設(shè)計師意識到所有這些挑戰(zhàn)，他們現(xiàn)在可以使用一些技術(shù)。但是，復(fù)雜的異構(gòu)設(shè)計中有很多元素，這對設(shè)計團(tuán)隊來說是一個更大的挑戰(zhàn)。

　　“他們可以從設(shè)備層面應(yīng)用幾種不同的解決方案，”Lin說，“他們可以降低功耗，平衡功率密度，并可能巧妙地分配芯片和小芯片，使熱傳導(dǎo)路徑保持良好平衡，而不會引起任何高溫。在系統(tǒng)層面，我們看到很多冷卻解決方案說，“如果溫度太高，讓我們限制系統(tǒng)，讓它不工作，讓它休眠。我們還可以做一些像熱管理、電液體冷卻和強(qiáng)制對流這樣的事情。所有這些我們已經(jīng)在系統(tǒng)生產(chǎn)中看到了。

　　審核編輯：黃飛