半導(dǎo)體行業(yè)從傳統(tǒng)2D集成電路向2.5D及3D-IC架構(gòu)演進(jìn)，絕非簡單的技術(shù)迭代升級(jí)。此次架構(gòu)革新旨在突破傳統(tǒng)尺寸微縮限制，帶來了一系列傳統(tǒng)方法難以應(yīng)對的驗(yàn)證挑戰(zhàn)。隨著芯片設(shè)計(jì)采用多芯片堆疊、異構(gòu)Chiplet集成及先進(jìn)封裝技術(shù)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨復(fù)雜的熱管理、機(jī)械應(yīng)力耦合及可靠性驗(yàn)證問題，需要采用不同的方法解決。

驗(yàn)證層面的短板并非源于算力不足，而是由3D-IC的多物理場特性所致。單個(gè)芯片的熱點(diǎn)會(huì)對相鄰芯片產(chǎn)生不可預(yù)判的性能影響；封裝工藝產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)沿堆疊結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，改變器件特性；靜電放電路徑跨越由不同代工廠采用不同工藝節(jié)點(diǎn)制造的多個(gè)芯片。專為單芯片分析設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)點(diǎn)工具驗(yàn)證流程無法捕捉這類跨域交互。

物理驗(yàn)證邁入三維階段

3D-IC的物理驗(yàn)證，已超越傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查與版圖及原理圖一致性檢查。硅通孔（TSV）、微凸點(diǎn)、芯片間接口的應(yīng)用，衍生出2D設(shè)計(jì)中不存在的全新驗(yàn)證場景。工程師不僅需要驗(yàn)證單個(gè)芯片的設(shè)計(jì)合規(guī)性，還需核驗(yàn)堆疊組件之間的物理與電氣交互特性。

現(xiàn)代驗(yàn)證平臺(tái)可覆蓋完整3D封裝鏈路，滿足上述驗(yàn)證需求。接口層驗(yàn)證能夠確保芯片間連接同時(shí)符合幾何結(jié)構(gòu)與電氣要求；芯片間天線效應(yīng)檢測可識(shí)別堆疊結(jié)構(gòu)因電荷累積產(chǎn)生的潛在可靠性風(fēng)險(xiǎn)；點(diǎn)對點(diǎn)電流密度分析可驗(yàn)證互連結(jié)構(gòu)能否承載多芯片電源分配網(wǎng)絡(luò)的電氣需求。

單一封裝內(nèi)的Chiplet可能來自不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、采用不同制程節(jié)點(diǎn)、需遵循不同的設(shè)計(jì)規(guī)則，進(jìn)一步增加了驗(yàn)證復(fù)雜度。驗(yàn)證工具必須兼顧這種異質(zhì)性，同時(shí)保障量產(chǎn)簽核所需的精度要求。人工核驗(yàn)需排查堆疊結(jié)構(gòu)中成千上萬個(gè)潛在交互節(jié)點(diǎn)效率極低，因此接口層自動(dòng)化設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）變得至關(guān)重要。

圖1：接口驗(yàn)證與芯片間天線效應(yīng)檢查是3D-IC架構(gòu)獨(dú)有的全新驗(yàn)證需求。

熱管理變得至關(guān)重要

高功率密度與垂直堆疊結(jié)構(gòu)相結(jié)合，造成了遠(yuǎn)超2D設(shè)計(jì)所遇到的熱挑戰(zhàn)。下層芯片產(chǎn)生的熱量需穿透上層芯片才能傳導(dǎo)至散熱結(jié)構(gòu)，形成貫穿整個(gè)堆疊體系的溫度梯度，影響整體性能、可靠性與功耗表現(xiàn)。芯片間熱阻雖僅為每瓦零點(diǎn)幾攝氏度，但多層堆疊的熱阻累積會(huì)形成顯著溫差。

2D設(shè)計(jì)中通用的傳統(tǒng)熱安全裕度，對于3D配置來說是不夠的。3D-IC的熱分布取決于多芯片的開關(guān)工作狀態(tài)、界面材料導(dǎo)熱性能、封裝散熱路徑效率以及電源傳輸與發(fā)熱之間的相互作用。這些因素形成了一個(gè)耦合系統(tǒng)，針對單芯片的熱行為假設(shè)可能因其他芯片的工作狀態(tài)徹底失效。

為3D-IC設(shè)計(jì)的熱分析工具必須跨越多個(gè)領(lǐng)域。在芯片層面，依托版圖庫與開關(guān)活動(dòng)生成的詳細(xì)功率圖可精準(zhǔn)定位熱點(diǎn)；在封裝層級(jí)，模型需覆蓋基板、中介層與熱界面材料的散熱傳導(dǎo)特性；在系統(tǒng)層級(jí)，需納入散熱方案、板級(jí)熱效應(yīng)與環(huán)境條件等變量。

圖2：自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)可高精度捕捉熱點(diǎn)，同時(shí)保障全封裝分析的計(jì)算效率

傳統(tǒng)工作流中，熱分析由機(jī)械工程師使用獨(dú)立工具與數(shù)據(jù)庫完成，而如今芯片設(shè)計(jì)工程師可直接開展熱分析，這成為行業(yè)工作模式的重大變革?，F(xiàn)代化技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)集成電路版圖格式向熱仿真模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)工程師無需掌握流體力學(xué)與有限元專業(yè)知識(shí)，即可完成熱分析。自適應(yīng)功率圖壓縮、基于版圖的熱特性提取、自動(dòng)化網(wǎng)格劃分等技術(shù)，在保障精度的同時(shí)降低了技術(shù)使用門檻。

芯片級(jí)與系統(tǒng)級(jí)熱分析工具支持雙向模型交互，幫助芯片設(shè)計(jì)師與封裝工程師協(xié)同研發(fā)。芯片設(shè)計(jì)師提供精準(zhǔn)功率分布的詳細(xì)芯片模型，封裝工程師反饋貼合實(shí)際散熱方案與系統(tǒng)熱效應(yīng)的邊界條件。將這套迭代交換融入設(shè)計(jì)流程，可同步優(yōu)化芯片級(jí)與封裝級(jí)熱管理方案。

機(jī)械應(yīng)力影響可靠性與性能

3D-IC的封裝工藝會(huì)使芯片產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而影響器件可靠性與電氣特性。不同材料的熱膨脹系數(shù)差異，會(huì)在溫度循環(huán)過程中產(chǎn)生應(yīng)力；芯片鍵合工藝會(huì)造成鍵合界面應(yīng)力；封裝翹曲會(huì)破壞微凸點(diǎn)連接的均勻性。這類機(jī)械效應(yīng)在2D設(shè)計(jì)中可忽略不計(jì)，但在3D架構(gòu)中，多層材料與界面結(jié)構(gòu)會(huì)放大應(yīng)力耦合作用，成為影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。

應(yīng)力引發(fā)的可靠性失效存在多種表現(xiàn)形式：拉伸應(yīng)力超出材料強(qiáng)度極限會(huì)導(dǎo)致芯片開裂；溫度循環(huán)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力會(huì)引發(fā)界面分層；即便應(yīng)力未達(dá)到失效閾值，也會(huì)通過壓阻效應(yīng)改變器件特性，影響電路時(shí)序和性能。

機(jī)械應(yīng)力驗(yàn)證需結(jié)合精細(xì)化材料建模與多尺度分析?；诎鎴D的參數(shù)提取技術(shù)，可精準(zhǔn)還原單芯片內(nèi)部材料的空間分布特征，涵蓋金屬密度差異、介質(zhì)特性與器件結(jié)構(gòu)等要素；封裝級(jí)建模包括芯片貼裝材料、底部填充膠特性和封裝基板參數(shù)。通過有限元法對模型仿真分析，可精準(zhǔn)預(yù)測從封裝級(jí)翹曲到器件級(jí)應(yīng)力集中的各分辨率下應(yīng)力分布情況。

圖3：自動(dòng)提取技術(shù)可將精細(xì)化集成電路版圖轉(zhuǎn)化為應(yīng)力分析材料特性圖，在保留空間精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效仿真。

該技術(shù)的挑戰(zhàn)在于如何使這些復(fù)雜的分析變得可訪問且可操作。自動(dòng)提取可最大程度減少手動(dòng)建模；疊加在版圖上的高分辨率應(yīng)力分布圖，可幫助設(shè)計(jì)師快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、評估優(yōu)化方案。與電氣參數(shù)提取工具配合使用，可將應(yīng)力效應(yīng)反向標(biāo)注至電路仿真中，形成機(jī)械域與電氣域的閉環(huán)。

可靠性驗(yàn)證跨越多芯片

靜電放電（ESD）保護(hù)對于單芯片集成電路來說是眾所周知的要求，但在多芯片架構(gòu)中，其驗(yàn)證難度大幅提升。ESD電流可從單芯片導(dǎo)入，經(jīng)由微凸點(diǎn)、硅通孔與封裝互連結(jié)構(gòu)，通過其他芯片形成接地回路。ESD保護(hù)效果取決于跨芯片通路的電阻與載流能力，而這類參數(shù)無法通過傳統(tǒng)單顆芯片靜電放電驗(yàn)證完成評估。

跨芯片點(diǎn)對點(diǎn)電阻分析可精準(zhǔn)識(shí)別ESD潛在漏洞，電流密度驗(yàn)證可確?；ミB結(jié)構(gòu)可承載ESD沖擊、避免損壞。此類分析依賴完整的多芯片連接模型，包括硅通孔、微凸點(diǎn)與重分布層的電阻。

現(xiàn)代3D-IC的異構(gòu)特性進(jìn)一步提升了可靠性驗(yàn)證難度。不同制程節(jié)點(diǎn)的芯片，ESD保護(hù)設(shè)計(jì)方案存在差異；不同廠商供應(yīng)的Chiplet，對系統(tǒng)級(jí)ESD防護(hù)的設(shè)計(jì)訴求也各不相同。驗(yàn)證工具需兼容各類設(shè)計(jì)差異，同時(shí)確保集成后的組裝滿足可靠性要求。

圖4：ESD路徑驗(yàn)證可追蹤多芯片封裝的放電電流，識(shí)別跨芯片連接結(jié)構(gòu)中潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

從單點(diǎn)工具到集成平臺(tái)

3D-IC驗(yàn)證的多物理場特性要求各類分析實(shí)現(xiàn)跨域集成。熱分析為供電設(shè)計(jì)提供依據(jù)，應(yīng)力分析影響器件建模精度，物理驗(yàn)證依賴精準(zhǔn)的3D封裝模型。各環(huán)節(jié)相互依賴，導(dǎo)致用于各個(gè)分析的獨(dú)立模型、獨(dú)立數(shù)據(jù)庫的傳統(tǒng)單點(diǎn)工具方案已無法適配復(fù)雜的3D-IC驗(yàn)證需求。

集成驗(yàn)證平臺(tái)依托覆蓋物理、熱、機(jī)械、電氣全領(lǐng)域的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型解決上述難題。一套完整的3D封裝模型可支撐多類型分析，各模塊分析結(jié)果可自動(dòng)反向標(biāo)注。熱分布圖可導(dǎo)入電路仿真，適配器件特性的溫度相關(guān)性；應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可更新器件模型，精準(zhǔn)還原壓阻效應(yīng)帶來的參數(shù)變化。

圖 5：多物理場集成分析連接了物理驗(yàn)證、熱分析、應(yīng)力分析與電氣仿真，構(gòu)建了3D-IC特性的全面視圖。

數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)一步將集成能力延伸至全設(shè)計(jì)生命周期。設(shè)計(jì)初期，簡化模型可快速適配布局規(guī)劃與材料選型迭代；設(shè)計(jì)成熟階段，模型會(huì)包含版圖數(shù)據(jù)庫與封裝規(guī)范的參數(shù)；設(shè)計(jì)簽核階段，數(shù)字孿生可完整呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的物理、熱、機(jī)械全域特性，確保符合量產(chǎn)與可靠性要求。

驗(yàn)證時(shí)間的提前是行業(yè)方法論的根本性變革。研發(fā)團(tuán)隊(duì)無需在設(shè)計(jì)后期才排查熱、應(yīng)力問題，可在布局規(guī)劃與架構(gòu)選型階段提前識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)。即便在詳細(xì)版圖完成前，也可通過高精度模擬推演完成方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)簽核驗(yàn)證方法無法達(dá)成的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

未來發(fā)展方向

3D-IC的驗(yàn)證難題源于堆疊異構(gòu)系統(tǒng)的基本物理特性。芯片間熱耦合、封裝工藝引發(fā)的機(jī)械應(yīng)力、跨芯片電氣交互，形成了超越傳統(tǒng)領(lǐng)域邊界的全新驗(yàn)證問題。攻克這類難題，不僅需要更強(qiáng)性能的工具，更需依托全新方法論，將物理、熱、機(jī)械、電氣驗(yàn)證集成到工作流程中。

行業(yè)向集成驗(yàn)證平臺(tái)轉(zhuǎn)型，標(biāo)志著單點(diǎn)工具已無法適配先進(jìn)3D-IC的復(fù)雜度需求。隨著芯片設(shè)計(jì)集成數(shù)百個(gè)Chiplet，自動(dòng)化建模、統(tǒng)一數(shù)據(jù)架構(gòu)、跨域協(xié)同分析將必不可少。驗(yàn)證方法論的革新與2D向3D的芯片架構(gòu)升級(jí)相輔相成，是保障先進(jìn)封裝技術(shù)提高性能、效率與功能優(yōu)勢的必然演進(jìn)路徑。

參考鏈接：https://semiengineering.com/mastering-3d-ic-verification-complexity/

（校對/趙月）