3D集成电路的结构和优势

以下文章来源于Cadence楷登PCB及封装资源中心，作者Cadence

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。

1 3D 集成电路的结构

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：ARM

2 3D 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。

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。