臺積電布局3DBlox 推動3DIC技術新進展

  ICC訊 在2024年臺積電OIP生態(tài)系統(tǒng)論壇上，臺積電的一個技術講座重點討論了如何最大限度地提高3DIC（3D集成電路）的設計效率。隨著半導體技術的快速發(fā)展，3DIC已成為提高芯片性能、能效和密度的下一個前沿領域。臺積電一直致力于簡化這些尖端解決方案的設計流程，而3DBlox正是這一使命的核心。3DBlox是臺積電推出的一個創(chuàng)新框架，包含標準化設計語言，旨在解決3DIC設計的復雜性。 以下是臺積電3DIC方法小組副總監(jiān)Jim Chang的演講綜述。

  2022年~2023年的進展：為3DBlox奠定基礎

  2022年，臺積電開始探索如何展示其3DFabric產(chǎn)品，特別是CoWoS（基板上晶圓芯片封裝）和INFO（集成扇出型封裝），它們是3DIC的關鍵技術。CoWoS使用硅中介層集成芯片，而INFO則使用RDL（再分布層）中介層。臺積電將這些方法結合在一起，創(chuàng)造出CoWoS-R和CoWoS-L，前者用RDL技術取代硅中介層，后者則集成了本地硅互連。

  有了這些構件之后，臺積電意識到他們需要一種系統(tǒng)的方法來表示其日益復雜的技術產(chǎn)品。這促成了3DBlox的誕生，它為表示臺積電3DFabric技術的所有可能配置提供了標準結構。通過專注于三個關鍵要素——芯片、芯片接口和接口之間的連接，臺積電能夠有效地模擬各種3DIC配置。

  到2023年，臺積電已在芯片再利用和設計可行性方面進行了深入研究，為早期設計探索引入了一種自上而下的方法。這種方法使臺積電及其客戶在獲得所有設計細節(jié)之前，就能進行早期電氣和熱分析。臺積電通過一個允許芯片鏡像、旋轉或翻轉，同時保持芯片信息主列表的系統(tǒng)，開發(fā)了一種簡化的方法來檢查多個芯片的設計規(guī)則。

  2024年的創(chuàng)新：利用3DBlox克服復雜性

  到2024年，臺積電將面對3DIC系統(tǒng)日益增長的復雜性，并制定新的戰(zhàn)略來解決這一問題。關鍵的創(chuàng)新是將三維設計挑戰(zhàn)分解為更易于管理的二維問題，重點關注總線、TSV（硅通孔）和PG（電源/地線）結構。這些元素一旦在三維平面規(guī)劃階段定位，就會轉化為二維問題，利用現(xiàn)有的二維設計解決方案簡化整個流程。

  2024年的關鍵技術發(fā)展

  臺積電2024年的重點是最大限度地提高3DIC設計效率，主要圍繞五個發(fā)展領域：設計規(guī)劃、實施、分析、物理驗證和基板布線。

  （1）設計規(guī)劃：管理電氣和物理限制

  在3DIC系統(tǒng)中，放置總線、TSV和PG結構需要同時注意電氣和物理限制，尤其是電遷移和IR（EMIR）限制。芯片間的功率傳輸必須精確，PG結構在為其他設計元素節(jié)省物理資源的同時，還能維持必要的功率。

  臺積電的關鍵創(chuàng)新之一是將單個TSV實體轉換為密度值，從而可以對其進行數(shù)值建模。通過使用Cadence Cerebrus Intelligent Chip Explorer和Synopsys DSO.ai等人工智能驅動引擎，臺積電能夠探索解決方案空間，并反向映射總線、TSV和PG結構的最佳解決方案。通過這種方法，設計人員可以為其特定設計選擇最佳折衷方案。

  此外，2024年還強調了芯片與封裝的協(xié)同設計。臺積電與主要客戶合作，共同應對芯片和封裝團隊之間的協(xié)調挑戰(zhàn)，這兩個團隊以前是獨立運作的。通過使用3DBlox的通用對象格式和通用約束，團隊可以更高效地協(xié)作，在流程早期，甚至在技術文件可用之前解決設計約束。

  （2）實施：加強重復使用和分層設計

  隨著客戶要求提高芯片復用率，臺積電在3DBlox語言中開發(fā)了分層解決方案，以支持不斷增長的3DIC設計。隨著對齊多個芯片所需的對準標記數(shù)量不斷增加，臺積電與EDA合作伙伴密切合作，確定了四種主要類型的對準標記，并將其自動插入到布局與繞線流程中。

  （3）分析：解決多物理場相互作用問題

  在3DIC設計中，多物理場相互作用（尤其是與熱問題有關的相互作用）變得更加突出。臺積電認識到，由于不同物理引擎之間的耦合效應更強，因此3DIC中的熱問題比傳統(tǒng)2D設計中更為突出。為解決這一問題，臺積電開發(fā)了一個通用數(shù)據(jù)庫，允許不同的引擎根據(jù)預定義的標準進行交互和會聚，從而實現(xiàn)對設計空間的有效探索。

  2024年推出的關鍵分析工具之一是翹曲分析，這對3DIC結構尺寸的增長至關重要。臺積電開發(fā)了Mech Tech文件，為行業(yè)合作伙伴定義了促進應力模擬的必要信息，填補了半導體行業(yè)在翹曲解決方案方面的空白。

  （4）物理驗證：確保3DIC設計的完整性

  臺積電解決了天線效應這一制造問題，金屬可能積累等離子電荷，這些電荷可通過TSV和凸點穿透柵極氧化物。通過與EDA伙伴合作，臺積電創(chuàng)建了一個設計規(guī)則檢查 (DRC) 平臺，可對天線效應進行建模和捕捉，確保在設計過程中考慮到天線效應。

  2024年，臺積電還推出了針對3DIC系統(tǒng)的布局與原理圖 (LVS) 驗證增強功能。在此之前，LVS層采用一頂一底的芯片配置。然而，3DBlox全新的自動生成工具可準確驗證任何配置，支持更復雜的多芯片設計。

  （5）基板布線：應對日益增長的復雜性

  隨著3DIC集成規(guī)模的擴大，基板布線的復雜性也在增加?；逶O計歷來是一個手動過程。基板尺寸的不斷擴大，加上現(xiàn)代3DIC設計的復雜要求，使這一領域必須進行新的創(chuàng)新。

  臺積電三年前開始研究Interposer Substrate Tech文件格式，到2024年，他們已經(jīng)能夠對高度復雜的結構進行建模，例如在模型中包含淚滴形結構。這一進步更準確、更詳細地展示了基板，對于3DIC領域出現(xiàn)的更大型、更復雜的設計至關重要。臺積電通過3DFabric聯(lián)盟與OSAT伙伴合作支持這種格式。

  總結：3DBlox——為3DIC創(chuàng)新鋪平道路

  臺積電公司的3DBlox框架已被證明是管理3DIC設計復雜性和規(guī)模的關鍵一步。從2023年的早期探索和設計可行性，到2024年在設計規(guī)劃、實施、分析、物理驗證和基底布線方面的突破，臺積電的創(chuàng)新正在為更高效、更可擴展的3DIC解決方案鋪平道路。隨著業(yè)界向更先進的3D集成邁進，3DBlox委員會宣布計劃通過IEEE公開發(fā)布3DBlox標準。未來幾年，3DBlox將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，幫助設計人員滿足半導體技術日益增長的需求。