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三维集成电路系统的电网分析

作者:明导 Calibre 设计解决方案新市场与新兴市场产品营销经理 Christen Decoin

在高级节点,有效的电网分析是确保小尺寸连接器可以处理电流需求,而不会造成潜在失效模式或信号完整性问题的关键。现有的电网分析工具需要按照2.5维和三维设计进行拓展和增强,从而满足新的需求和使用模式。本文介绍了一些必要的改进。

以系统为中心的电网分析

在三维集成电路系统中,几个晶粒共享相同的网络供电。电网分析 (PGA) 工具必须同时分析所有晶粒,因为一个晶粒的电压降可能直接与另一个相关联。此外,电网分析解决方案必须支持各种2.5维/三维晶粒配置——包括布局、定向和堆叠顺序——以及晶粒内部连接器模型。

一个系统中的每个晶粒可能已经按照其应用和需求采用了不同的工艺节点。一个系统可能包含 40nm 和 28nm 设计的晶粒以及 65nm 设计的基板夹层(interposer)。增量技术文件定义和校准在这个使用案例中发挥了重要作用,因为终端用户只需校准与2.5维/三维整合相关的新堆叠定义部分,而不用重新校准整个堆叠。

2.5维/三维流程的电网分析工具还必须考虑垂直整合所需的更多“对象”,如背面凸块(microbumps)和背面金属层(图1)。三维结构中的背面金属层呈45度角,而不是正面金属层常用的90度,这将对功率分析模型产生影响。对于全三维系统,电网分析工具需要给正面和背面金属之间的硅穿孔(TSV)定义准确的模型,而对于2.5维系统,电网分析工具必须能够模拟只包含金属(下面没有器件)的钝化基板夹层(interposer)。

使用模型

考虑到2.5维和三维系统的常规尺寸以及需要整合第三方晶粒,电网分析解决方案必须能够以三种不同的模式运行。

  • 基于功率模型的电网分析模式——在基于功率模型的模式中,每个晶粒表现为紧凑的功率模型,电网分析工具使用这些模型及其连接分析整个2.5维/三维集成电路系统。这种模式运行相当快,提供了高水平的系统电网分析,但是它仅限于检测晶粒内连接问题。由于功率模型是为了特定技术节点角而创建,一个电网分析解决方案必须能够处理不同条件下的不同紧凑功率模型。例如,1.2V 条件下90nm 晶粒模型和1.0V 条件下 65nm 的晶粒模型组合在一起的情况。
  • 全2.5维/三维电网分析模式——终端用户希望分析特定多晶粒网的电压降,但是算起来代价十分高昂。为了支持这个模式,电网分析工具的容量和周转时间必须比现有工具好几个数量级。
  • 混合电网分析模式——混合模式受到分析第三方晶粒整合需求的推动。它支持一系列混合的紧凑型功率模型和晶粒,在这种情况下第三方晶粒仅表现为紧凑模型,用于整合进系统电网分析。

2.5D/3D-specific \´objects\´

图1. 三维集成电路堆栈的电网分析需要三维整合对象模型,如背面凸点和金属层。

设计流程中的电网分析

为了尽早、高效地检测、诊断和纠正电网问题,设计人员应该在布图规划、时钟树综合后以及电路实现后阶段进行电网分析。为了提供有意义的分析,必须考虑到系统在既定晶粒(如其它晶粒、基板夹层(interposer)、三维集成电路整合对象等等)上的效果,用户应该能够轻松分析系统相互作用。一个既定堆叠内的多帧功能和晶粒间浏览使用户能够高效地审查、诊断和排除电网问题。尽管这些功能需要工具拥有明显较大的数据容量和更快的响应时间,但是它们对于调试动态的电网分析运行特别重要。

电网分析输出

一个电网分析解决方案产生一个全系统功率模型,可用于包装/电路板电源完整性分析。进行部分模型创建的能力对于支持第三方 IP 整合来说也非常重要。例如,如果一个供应商分析一个基板夹层(interposer)上的一个将由客户连接至另一个晶粒的晶粒,那么这个供应商需要为第一个晶粒提供功率模型,还要为基板夹层(interposer)提供寄生网表。

结论

当今的电网分析工具提供的功能远远无法满足2.5维/三维集成电路的电网分析需要。功率是2.5维/三维集成电路物理实现中最大的挑战之一,由此产生的问题无法仅在寄存器传输级 (RTL) 得到解决。为了使半导体行业完全支持除2.5维以外的三维整合、存储器堆叠以及广泛的 IO 应用,电网分析解决方案必须解决本文讨论的需求,尤其是如果目标是为拥有具有强大的多晶粒电网布图规划能力的真正三维集成电路整合流程。

christen_decoin.JPG作者简介

Christen Decoin 是明导 Calibre 设计解决方案新市场与新兴市场产品营销经理,负责推动早期新市场分析、产品定义以及产品推出。Christen 先前曾负责明导参与专注于寄生电感、三维集成电路以及高频提取的 DeCADE Nano2013 计划。加盟明导之前,Christen 曾担任 Sagantec 应用工程总监以及 Brion Technologies 的可制造性设计(DFM)、光学临近效应修正(OPC)和光学临近效应修正(OPC)验证的高级产品营销经理。