半導(dǎo)體芯片如何實(shí)現(xiàn)“瘦身之路”？3D IC是一大絕招

　　面對激烈的市場競爭，終端消費(fèi)電子產(chǎn)品在“輕、薄、短、小”的外形尺寸以及多元功能的追求不曾停歇，目前封裝業(yè)研發(fā)重點(diǎn)在于把厚度做最大利用，3D IC技術(shù)是目前唯一能滿足上述需求的關(guān)鍵技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是利用 3D IC堆疊、矽穿孔、TSV等技術(shù)將芯片整合到效能最佳、體積最小的狀態(tài)。

　什么是3D IC?

　　將一只移動處理器芯片與獨(dú)立的存儲芯片結(jié)合到一起，這是一種自然發(fā)展出來的3D結(jié)構(gòu)。而減少IC之間互連的長度可能會給移動系統(tǒng)應(yīng)用的性能、功率和封裝尺寸帶來一種巨大的飛躍，主要動力就是3D IC。

　　SoC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)架構(gòu)一直是IC產(chǎn)業(yè)的經(jīng)典。因此，從SoC生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多芯片策略，成為讓大多數(shù)公司望而生畏的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄冮L期依賴且熟悉支持SoC設(shè)計(jì)流程的現(xiàn)有龐大基礎(chǔ)架構(gòu)。SoC的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程業(yè)已建立，而且也已經(jīng)被設(shè)計(jì)師使用了數(shù)十年。針對某個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)，代工廠提供了一套設(shè)計(jì)規(guī)則，SoC設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵循這些規(guī)則，以確保代工廠正確地制造SoC。電子設(shè)計(jì)自動化(EDA)公司開發(fā)自動化流程，用于協(xié)助設(shè)計(jì)人員分析SoC設(shè)計(jì)，以進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證、連接性檢查、寄生組件參數(shù)擷取，以及布局后硬件仿真等。

　　相較于在PDK和自動化EDA流程中提供既有且經(jīng)驗(yàn)證的SoC基礎(chǔ)設(shè)施，目前還沒有為多芯片工藝提供類似的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)安全網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)的封裝設(shè)計(jì)仍處于手動組裝階段。除了描述預(yù)期設(shè)計(jì)規(guī)則的文本文檔案之外，封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程通常幾乎少有封裝設(shè)計(jì)附帶形式簽核要求。因此，用于封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的EDA工具功能通常也更加簡單。如果少了支持和驗(yàn)證的自動化設(shè)計(jì)流程協(xié)助，許多傳統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)公司應(yīng)該都不愿意將3D IC市場視為可行的商業(yè)選擇。

　各EDA供應(yīng)商正在建立面向3D設(shè)計(jì)的工具

　　為了緩解3D堆疊IC的挑戰(zhàn)，很多公司都在采用一種中間方式，即2.5D，用一種無源的硅中介層來連接各個(gè)片芯。很多業(yè)內(nèi)人士都將2.5D方案看成是到達(dá)3D IC的一個(gè)緩慢上升的遷移路徑。

　　對于支持新3D IC項(xiàng)目的EDA工具的選擇，可能會使實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的方式產(chǎn)生差別。盡管可以采用現(xiàn)有的2D IC工具，但如果增加一些應(yīng)對3D設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的技術(shù)還是有好處的。大多數(shù)主要EDA供應(yīng)商都對3D IC采用一種謹(jǐn)慎的觀望態(tài)度，不到最終不會給自己的2D工具增加功能。同時(shí)，很多較小的EDA供應(yīng)商則正在建立面向3D設(shè)計(jì)的工具。

　　例如三星電子公司推出了一款3D IC，該公司將一只存儲芯片堆疊在硅片芯上，兩者間采用了(垂直的)TSV(硅通孔)金屬化孔，在芯片的頂部和底部都建立了連接。TSV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一種廣泛的I/O存儲接口，較其它方案的功率降低多達(dá)75%，因?yàn)槠浠ミB與I/O電路的負(fù)載電容較小。

　　Xilinx公司也在自己新的2.5D SSI(堆疊硅互連)FPGA中采用了這種方法，其主要是在一個(gè)無源硅中介層上堆疊這些片芯，從而能夠在FPGA之間做出1萬多個(gè)互連。SSI較其它方案在每瓦I/O帶寬性能上提高了兩個(gè)以上數(shù)量級，這也再次說明了2.5D與3D在功耗與性能方面的差異。

　　新的封裝驗(yàn)證技術(shù)

　　針對多芯片工藝，我們目前看到代工廠和OSAT公司開發(fā)并提供了3D IC封裝設(shè)計(jì)套件PDK組件。此外，還有組裝級設(shè)計(jì)套件ADK，實(shí)體驗(yàn)證可經(jīng)由設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)確保封裝的所有組件都以滿足所有制造要求的方式布置。

　　在SoC市場中，代工廠和第三方為SoC提供預(yù)先驗(yàn)證和預(yù)先表征的IP。SoC設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)要求將這些IP整合于其設(shè)計(jì)中，以及100%的信心IP將按照SoC的規(guī)定工作。目前最大的問題之一是如何彌合IC設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)流程之間的當(dāng)前差距。

　　如果我們將單個(gè)SoC中原有的組件分解為單個(gè)磊晶，將它結(jié)合至3D IC封裝中，而SIP封裝并無一定形態(tài)，SIP封裝可根據(jù)不同芯片排列方式與不同內(nèi)部結(jié)合技術(shù)的搭配，生產(chǎn)定制化產(chǎn)品，滿足客戶定制化需求，例如采取多種裸芯片或模塊進(jìn)行平面式2D封裝(MCM等)或3D(MCP、SatckDie、PoP、PiP等)封裝，其內(nèi)部的互連技術(shù)可以使用引線鍵合，也可使用倒裝焊或TSV等，還可采用多功能性基板整合組件的方式，將不同組件內(nèi)藏于多功能基板中，最終實(shí)現(xiàn)功能整合。

　　TSV助力SIP向3D發(fā)展的道路艱險(xiǎn)

　　TSV和WB金屬線連接以及倒裝FC中的bumping都是一種連接技術(shù)。TSV在芯片間或晶圓間制作垂直通道，實(shí)現(xiàn)芯片間垂直互聯(lián)。相比引線鍵合技術(shù)以及倒轉(zhuǎn)片技術(shù)，TSV連線長度縮短到芯片厚度，傳輸距離減少到千分之一;可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多片全硅系統(tǒng)集成;可以顯著減小RC延遲，提高計(jì)算速度;顯著降低噪聲、能耗和成本。

　　TSV最早應(yīng)用于CIS封裝，目前成本較高，主要應(yīng)用于圖像傳感器、轉(zhuǎn)接板、存儲器、邏輯處理器+存儲器、RF模組、MEMS晶圓級3D封裝等高端封裝。但目前還面臨很多技術(shù)難題：

　　1、TSV的不足

　　3D IC的EDA工具開發(fā)必須起始于TCAD，用于建立TSV物理特性的模型。設(shè)計(jì)人員必須解決TSV會給靠近過孔開口處的有源硅區(qū)帶來應(yīng)力，因?yàn)檫@可能干擾電路的工作。

　　2、增加平面規(guī)劃級

　　由于現(xiàn)有EDA工具都不支持TSV的自動化布局與布線，因此必須用當(dāng)前做2D IC設(shè)計(jì)的工具，手動地增加工具。要修改2D工具與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫使之支持3D IC概念，會遇到很多挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)中，最典型的就是3D IC改變了2D設(shè)計(jì)的布局，增加了通過TSV做連接的背面金屬層。

　　在平面規(guī)劃與布局階段給一只芯片增加了TSV以后，下一個(gè)挑戰(zhàn)將是連接分配。布線工具必須能夠分配連接，并優(yōu)化通過TSV連接到背面凸塊的線長。對于3D IC設(shè)計(jì)，將一只3D芯片看成一組2D塊去作物理實(shí)現(xiàn)，從而可以實(shí)現(xiàn)3D設(shè)計(jì)的自動化，但會導(dǎo)致一系列新問題，如設(shè)計(jì)分區(qū)、TSV分配、跨片芯的接口、電源與地的分布，以及相應(yīng)的IR降與溫度分析等。

　　3、定制工具

　　3D IC設(shè)計(jì)工具的市場一直過于狹小，無法吸引大型EDA公司的投入。普通的布局工具無法處理用于2D設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方案，即將所有獨(dú)立的數(shù)據(jù)組織成為一個(gè)大文件。而Max-3D則能夠在每個(gè)晶圓級上維護(hù)技術(shù)文件，并有一個(gè)用于TSV互連的獨(dú)立文件。

　　設(shè)計(jì)者通常不愿意去轉(zhuǎn)換工具，或改變自己的2D流程，除非可以將一個(gè)普通IC布局工具用于自己的3D設(shè)計(jì)。然而，在某些時(shí)候，普通工具無法應(yīng)付處理所需數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。

　　4、3D分區(qū)的設(shè)計(jì)工具

　　現(xiàn)在，制造商們提供用于3D IC早期規(guī)劃和分區(qū)的工具。例如，Atrenta公司在SpyGlass-Physical Advanced工具中提供RTL原型技術(shù)，用于3D IC的早期規(guī)劃與分區(qū)。2D的Atrenta SpyGlass工具使設(shè)計(jì)者能夠在設(shè)計(jì)周期的前期就開始做物理實(shí)現(xiàn)的可行性分析，此時(shí)RTL可能還未完成。可以用它對多個(gè)平面規(guī)劃配置做虛擬化與評估，分析實(shí)現(xiàn)的可行性，選擇適當(dāng)?shù)墓鐸P，創(chuàng)建物理分區(qū)，以及生成針對IP和SoC實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)。

　　對于3D IC，必須找到一種能跨多級對設(shè)計(jì)分區(qū)的方式，并了解TSV對整個(gè)設(shè)計(jì)的影響，這樣才能做早期的平面規(guī)劃。

　　5、測試3D堆疊

　　測試問題是3D堆疊片芯的另外一個(gè)挑戰(zhàn)。在3D IC的測試中有三大問題：確認(rèn)好片芯、在封裝堆疊中后為需重測片芯提供通道、以及為封裝內(nèi)做片芯間互連的TSV提供通道。