【解決方案】透過 Calibre 3DThermal 預見 3DIC 設計的未來

作者：Lee Wang

半導體產業正經歷從傳統的 2D 積體電路（IC）設計到更先進的 2.5D 與 3D 積體電路（3DIC）的轉型。推動這項轉型的驅動力，來自於突破摩爾定律限制，實現更高效能、效率與功能的需求。然而，技術的演進也帶來全新難題，特別是在熱管理方面。為因應這項難題，Calibre 3DThermal 應運而生，這套解決方案專為 3DIC 熱分析打造，它將重新定義我們處理熱效應的方式。

從 2D 到 3D 積體電路的演進

在傳統的 2D IC 設計中，所有元件都建構在單一晶粒（die）上，其擴充與效能的提升長期以來都遵循著摩爾定律。不過，隨著半導體技術的進步，設計重心已逐漸轉向 2.5D 與 3DIC 架構。這類架構透過垂直堆疊多顆小晶片（chiplet）或晶粒，不僅能整合更多功能，也能同步提升效能並降低功耗。

相較於 2DIC，2.5D 與 3DIC 設計具備更為多元的連接方式，例如矽穿孔（TSV）、凸塊接線（bump connections）與直接接合（direct bonding）等。這些設計複雜性也帶來更多需納入考量的因素，例如熱效應、應力與電源分佈，對元件的效能與可靠度皆可能造成顯著影響。

3DIC 設計中的熱管理挑戰

熱管理是 3DIC 設計中最棘手的問題之一。隨著半導體元件體積持續縮小、排列更加緊密，熱管理變得越來越複雜。3DIC的高功率密度與垂直堆疊特性，會導致明顯的熱差與晶粒間的熱交互作用，進而影響整體效能與系統可靠度。

3DIC 中的熱效應受多項因素影響，包括：

• 功率密度：先進 IC 設計中的高功耗特性，會產生更多熱量。

• 熱梯度：堆疊式晶粒與複雜的互連架構，容易造成熱分佈不均。

• 熱傳路徑：3DIC 結構複雜需要仔細考慮散熱方法。

• 面對這些熱管理挑戰，需要先進的解決方案來進行精確的熱分析與驗證。

Calibre 3DThermal：進階熱分析的解決方案

Calibre 3DThermal 專為 3DIC 設計而打造，提供涵蓋整體設計流程的完整熱分析功能。以下是這項解決方案的關鍵特色：

1、從概念到簽核的整合式熱分析

Calibre 3DThermal 可整合進 IC 設計流程，協助工程師能夠執行熱可行性分析、除錯問題，並驗證從初始概念到至最終簽核的設計。透過這樣的全流程熱分析機制，可確保熱效應考量是設計流程中不可或缺的一部分，避免在後期階段才匆忙補救。

2、高精準度熱模擬

Calibre 3DThermal 採用 Simcenter Flotherm 最佳化的 3D 求解器，能提供到奈米尺度的高精確度且高效率的熱模擬。這種模擬精確度對於在整個設計流程中辨識並解決潛在熱效應問題至關重要。

3、進階自動化功能與友善操作介面

Calibre 3DThermal包含進階的自動化功能，即使非熱分析專家也能進行高精確度的熱模擬。自動網格建立、功率圖壓縮與等效熱特性提取等功能，可大幅簡化操作流程並提高了可用性。

4、全面的設計流程整合

Calibre 3DThermal 支援數位與類比混合訊號 IC 設計，可與所有主流設計平台整合，並支援所有標準的佈局格式。這種相容性可工程師將熱分析整合現有的工作流程，無須中斷作業流程。

FAQ：關於 Calibre 3DThermal 的常見問題

Q：Calibre 3DThermal 的主要優勢是什麼？

A：Calibre 3DThermal 提供簡單易用、快速且高精準度的熱分析解決方案，整合於 IC 設計流程中，讓工程師能夠在整個設計過程中識別並解決熱效應問題，這能提升效能與可靠度，並縮短產品上市時間。

Q：Calibre 3DThermal 如何處理複雜的 3DIC 設計？

A：此工具採用先進演算法，包含來自業界領先的 Simcenter Flotherm 所提供的最佳化客製求解器，並自動化執行如暫態分析中產生時間步驟與等效熱特性，以降低模型的複雜度。

Q：Calibre 3DThermal 可以同時用於數位與類比 IC 設計嗎？

A：可以。Calibre 3DThermal支援數位與類比混合訊號 IC 設計，使其成為適用於各類半導體應用的多功能解決方案。

Q：Calibre 3DThermal 如何與其他設計工具整合？

A：Calibre 3DThermal與所有標準設計格式相容，並與IC 設計生態系統中的其他工具整合，包括用於擴展熱分析的Simcenter Flotherm。

Q：Calibre 3DThermal 是否適合非熱分析的專家使用？

A：是的，Calibre 3DTherma進階自動化功能與友善的使用者介面，讓可能不具備熱分析專業知識的設計人員也能使用。

結論

從傳統2D IC設計到先進的2.5D和3DIC配置，代表半導體技術的大躍進。然而，這種進步也帶來新的挑戰，特別是在熱能管理方面。Calibre 3DThermal提供全面、高精準度的熱分析解決方案，可無縫整合到IC設計流程中，以解決這些設計挑戰。Calibre 3DThermal藉由讓設計人員能夠及早且有效地解決熱問題，為下一代3DIC技術的成功開發鋪路。