技术博客 I 3D-IC 中 硅通孔TSV 的设计与制造

本文要点3D 集成电路从平面工艺发展而来，创造了具有多个特征层的多层半导体封装。3D 集成电路主要在三个方面具有优势，分别是功耗、信号时序和混合信号集成。3D 集成是异构集成的基础，将更多不同的功能整合到一个单一的封装中。3D 集成电路的优势有目共睹，因此现代芯片中也使用了 3D 结构，以提供现代高速计算设备所需的特征密度和互连密度。随着越来越多的设计集成了广泛的功能，并需要一系列不同的特征，3D 集成将与异构集成逐渐融合，将不同的芯片设计整合到一个单一的封装。本文将概述3D 集成电路的优势，以及它们如何助力未来的先进设备实现异构集成。13D 集成电路的优势在 VLSI 设计中，3D 集成电路的一般结构相对简单，如下图所示。在这种类型的系统中，集成电路是通过将特征层堆叠在一起而构成的。通过垂直堆叠单个裸片/晶圆层，在两个电路之间传递电信号所需的连接长度就会缩短。这种更短的互连造就了 3D 集成电路的优势。 3D 集成电路的结构；图片来源：ARM23D 集成电路的四大优势功耗更低自 20 世纪 90 年代末以来，为了降低功耗，设计人员开始缩小封装尺寸，采用新颖的互连设计。在某种程度上，在集成电路中缩小封装尺寸的唯一方法是以 3D 方式堆叠设计。缩短互连长度可以降低功耗，因为互连长度上的直流电阻损耗较低。这一点非常重要，因为设计已经扩展到更小的技术节点，需要更薄的互连和更大的直流电阻。信号转换更快由于在这些设计中使用了较短的互连，垂直互连的总电容比水平互连的要小。这意味着互连中的信号将具有较低的 RC 时间常数，可以在接通和断开状态之间进行更快的转换。此外，由于总的寄生电容较低，互连上的信号延迟也较低，确保了开关从输入到输出的传播速度。得益于这些因素，数字信号的串行数据速率更快。模拟和数字集成3D 集成可以将模拟和数字电路块集成到同一个封装中，减少了信号完整性问题，而且不会大幅度增加封装尺寸。在这些封装中，数字和模拟模块可以通过平面排列的方式彼此分开。尽管如此，在不过度增加封装尺寸的情况下，仍然可以在垂直方向上为每个模块添加更多的功能。通过将模块隔离到各自的区域内，更容易控制串扰和噪声耦合，在设计中不会产生重大的信号问题。节省空间最后，由于封装尺寸更小，最明显的优势是可以节省空间。垂直堆叠的 3D 集成电路可以做到非常薄，与将电路模块分散在半导体裸片的广阔空间内相比，3D 集成颇具优势。因此，更多的元件和功能可以整合在一块 PCB 上，实现密度更高的设计和高级封装。尽管这些封装很实用，在信号完整性方面也有优势，但仍需要使用仿真工具来确保设计按预期运行。在电路层面，通过 SPICE 仿真来评估可靠性，并通过场求解器应用来进行物理布局和封装层面的仿真。先进的封装应采用多物理场分析方法，以评估热可靠性。集成电路设计师最好能在原型设计前发现封装问题，并尽早优化设计。3异构集成的未来发展2019 年，三家 IEEE 协会（电子封装协会、光子学会和电子器件协会）共同发布了异构集成路线图 (Heterogeneous Integration Roadmap，即HIR) 。该路线图规定了异构集成系统的性能基准，其中多个电路和器件集成到一个半导体封装中。此类设计是真正的系统级封装 (systems-in-package，即SiP)，其中多个半导体裸片器件集成到同一个封装内。 AMD Fiji GPU 中使用的异构架构；图片来源：Design007，2020 年 10 月刊这种新形式的 IC 设计看起来和 PCB 设计工程师在电路板上所做的工作一样。这些器件已经利用了 3D 集成的优势，即多个 3D 集成电路被组合并连接到同一个封装中。集成电路设计师可以采取更加模块化的方式进行半导体设计，将不同裸片上的多个器件用硅基板、玻璃基板或在晶圆上作为单片集成电路集成到同一封装中。实现这种模块和功能集成主要归功于硅通孔 (through-silicon via，即 TSV)。最早在中介层上用 TSV 实现芯片堆叠的器件之一是 CMOS 成像传感器。TSV 被用来通过传感器上的中介层形成互连，以连接片上读出电路。高速计算处理器可以采用类似的封装方式；这方面的第一个例子是 AMD 的 Fiji GPU（见上文），该产品已于 2017 年发布，使用 TSV 中介层将内存和图形处理器集成在一个封装中。随着封装技术越来越先进，这种类型的集成预计将继续发展完善。芯片、裸片-晶圆/裸片-裸片结构和多芯片模块都体现了现代集成电路中的 3D 集成和更大的特征密度。 3D 集成电路将在高速计算处理器中得到应用如果想为专门的应用开发更先进的器件，设计师将继续采用带有异构集成的 3D 设计方法。如果想在设计中实现 3D 集成电路的所有优势，可以使用 Cadence 的全套系统分析工具。VLSI 设计师可以将多个特征模块集成到新的设计中，并定义连接，实现持续集成和扩展。强大的场求解器提供全套软件仿真功能，与电路设计和 PCB 布局软件集成，打造完整的系统设计工具包，适用于各类应用和各种复杂程度的设计。想要进一步了解 3D 集成和多个堆叠裸片封装的设计挑战、生态系统要求和所需的解决方案吗？ 来源：Cadence楷登