3D IC 半导体设计的可靠性挑战
3D IC代表了异构先进封装技术向三维的扩展，带来了与2D先进封装类似的设计和可制造性挑战以及额外的复杂性。虽然尚未普及，但小芯片标准化计划的出现和支持工具的开发正在使3D IC对于更广泛的参与者（包括生产规模较小的大型和小型公司）来说变得更加可行和有利可图。
3D IC的实施允许公司将设计划分为功能子组件，并在最合适的工艺节点集成最终的IP。这有利于低延迟、高带宽数据移动、降低制造成本、提高晶圆产量、降低功耗并降低总体费用。这些极具吸引力的优势正在推动先进异构封装和3D IC技术的显着增长和进步。
在传统集成电路(IC)设计和制造领域，对签核策略的依赖很常见。代工厂通常在特定于流程的设计规则套件中提供设计规则、LVS和可靠性平台。然而，这种传统方法不足以满足3D IC先进异质封装的要求。与传统IC不同，3D IC由多层和混合工艺组成，挑战了单层上的所有内容都是共面的假设。3D IC中组件的垂直堆叠带来了复杂性，使得半导体和IC封装设计工程师难以评估采用不同工艺技术的组件之间的相互作用，并确定应优先考虑哪些相互作用。
为了确保可制造性和可靠性，我们不能依赖代工厂或外包半导体组装和测试(OSAT)供应商的通用设计套件。相反，我们需要深入3D IC设计师的思维来获取信息。规划工具对于协助封装架构师做出布局规划决策并向半导体和IC封装设计工程师提供此信息是必要的。此信息应包括组件如何垂直堆叠，而不仅仅是其一维布局。我们还必须将特定元素的检查与各个层定义分开，因为不同的流程对于相似的结构可能有不同的层数。可以使用3D IC原型设计和规划工具尽早提取此信息。
规划和布局规划工具在确保装配架构的正确对齐和可制造性方面发挥着至关重要的作用，这项任务传统上由片上系统(SoC)域中的设计规则检查(DRC)执行。然而，仅仅依赖DRC并不能保证预期的功能。幸运的是，布局与原理图(LVS)分析具有双重目的，不仅可以确认可制造性，还可以验证布局是否准确地代表了预期的电气结构和行为。与执行前涉及网表和仿真的传统方法相比，LVS对所有芯片、层和器件进行详细分析，以验证它们与预期设计的一致性。该过程需要源网表（通常称为“黄金网表”）来进行准确比较。
然而，3D IC给LVS分析带来了挑战，主要是因为包含中介层（通常是LVS无法处理的无源元件）。与有源元件不同，无源元件缺乏电气行为，并且对电路功能没有贡献，这使得依赖于电气连接引脚知识的传统LVS方法变得复杂。此外，在3D IC中有意集成无源器件（例如电容器、电阻器和光子元件）又增加了一层复杂性，需要了解各种布线和材料信息。
3D IC集成所必需的新组件的引入给系统带来了额外的寄生效应。这些寄生效应会影响各种行为方面，例如延迟、噪声、信号完整性和功耗，从而影响满足系统设计要求的能力。为了全面了解其影响，必须对与这些组件相关的寄生效应进行准确有效的建模。此外，垂直堆叠3D IC元件（包括芯片和中介层）的密度更高且距离更近，进一步影响其寄生效应。
提取方法和工具的选择取决于在性能和准确性之间找到适当的平衡。实现更高的准确性需要采用更复杂的模型和先进的工具。基于规则的工具擅长提供高性能，而基于场求解器的工具则优先考虑准确性。在处理硅通孔(TSV)寄生效应时，可以使用代工厂的测量和内部全波求解器开发精确的TSV模型。通过基于规则的工具可以在互连寄生提取期间实现这些模型的高效集成。然而，这些工具在TSV耦合方面遇到了挑战。虽然参数化表可用于耦合电阻和电容，但它们有局限性。全波求解器提供卓越的精度，但在实际设计中处理大量TSV时速度太慢。因此，理想的解决方案是一个专门的场求解器，它对于整个TSV集提取来说既准确又快速。
3D IC的实施可以采用两种方法：硅连接或有机连接，每种方法都有自己的优势和挑战。硅基3D IC结构是使用布局布线工具创建的，适用于密集设计，但仅限于处理正交形状。相反，基于有机的3D IC结构利用类似于传统PCB导向工具的工具。
所选择的技术显着影响信号完整性分析所采用的方法和工具。在芯片设计中，来自布局布线工具的数据流通常采用GDS格式，缺乏传统信号完整性和电磁(EM)工具的必要细节。这一缺陷需要额外的手动提取步骤，扩展分析过程并限制迭代次数。虽然数据表示对硅设计中的电磁提取提出了挑战，但用于寄生提取的专用工具可以帮助缓解这些问题。
相反，有机工具更符合面向PCB的方法，包含更多智能数据，包括设计数据库中原生的网络名称和各种结构类型。这一特性减少了寄生提取的设置时间，使过程不易出错。它将设计过程中的提取和分析进一步推向上游，有助于根据寄生影响及早识别芯片封装布局规划中的必要更改。通过在正确的阶段利用适当的分析功能，设计人员可以在流程的早期进行准确性和性能权衡，从而增强签署总体设计的信心。这种主动方法使设计人员能够提前利用3D IC设计的优势。
