3D IC，应力分析

随着3D集成电路 (IC) 和异构封装成为主流，半导体行业正在经历一场变革。这些进步有望带来更高的功能密度、更小的封装尺寸和更强大的系统性能。然而，这些创新也在复杂的组件中引入了新的机械应力源，给器件、芯片和封装领域带来了新的可靠性风险。行业需要一种自动化解决方案，帮助设计团队发现、理解和管理3D IC 和基于芯片的架构中应力引起的可靠性风险。

为什么现代3D IC需要多级应力分析

垂直堆叠多个芯片，并融合多种材料、中介层和超精细互连，这些都会加剧封装翘曲、芯片断裂、焊点疲劳和分层等挑战。此类故障会降低制造良率并影响器件的长期性能。更复杂的是，许多与应力相关的问题难以检测，例如电路迁移率降低，导致电路在热循环或机械循环下出现性能故障。

传统的二维验证平台，甚至一些装配模拟器，可能会忽略这些细微却关键的影响。它们通常会简化芯片几何形状，忽略先进芯片结构内的应力，或者无法将装配条件与最终系统内部的行为关联起来。为了弥补这些缺陷，需要进行全面的多层次分析，捕捉整个物理堆栈的机械和电气后果（图 1）。

图 1：多尺度模拟考虑了从器件到芯片再到封装组装的应力的影响。

采用“左移”策略进行压力验证

将压力检查留到最终签核或组装阶段可能会延迟问题的发现，导致后期昂贵的重新设计，甚至需要重新设计。因此，业界正在迅速转向左移验证：将深入的可靠性检查移至设计流程中最早、最灵活的阶段，使团队能够在调整仍然可控的情况下识别并解决漏洞。

有效的 3D IC 开发现在需要早期的自动化应力分析来支持快速的架构寻路和迭代芯片/封装协同设计。

3D封装的分层、装配感知分析

先进的 3D 应力分析解决方案可构建整个组件的模型——从毫米级基板到核心纳米器件特征。通过提取并考虑芯片布局、材料定义以及 TSV、焊料凸块、中介层和底部填充等高级特征，该解决方案可提供适用于精确有限元分析的多尺度表征。

机械应力在堆栈中传播的模拟表明：

• 封装和翘曲。
• 敏感芯片或基板位置的集中应力“热点”。
• 应力引起载流子迁移率的变化。
• 接口边界（芯片-封装、芯片-芯片）的总体可靠性问题。

这种方法超越了旧的“黑匣子”方法，后者将芯片视为简单的硅块，从而提供更深入的洞察并确保不会忽视任何潜在的风险点。

在IC验证流程中集成应力分析

Calibre 3DStress 可轻松添加到现有 IC 流程中，支持从早期探索到最终签核的验证需求。在早期设计阶段，工程师可以快速评估多种封装、布局和材料选项，识别潜在的应力风险，同时仍可自由调整架构。这些早期洞察可以帮助设计人员在采取代价高昂的措施之前，避免或减轻高应力区域的影响。

随着实施的推进，“假设”分析允许对关键器件或模块进行虚拟布局。设计人员可以直接比较基于不同器件位置的应力分布，并利用全局应力变化数据来制定最佳布局决策。

在最后阶段，Calibre 3DStress 会执行严格的签核分析，确保所有组装元件均符合热机械应力的可靠性阈值。这显著降低了组装后故障或性能不佳的风险，从而支持稳健可靠的市场交付。

3D IC中的迭代设计和数据驱动协作

早期的 3D IC 项目通常数据不完整，且封装要求不断变化。模块化输入选项允许团队随着时间的推移不断改进设计和工艺假设，并利用连续的仿真结果在芯片和封装设计之间做出明智的权衡。

随着项目的进展和数据的成熟，模拟精度得到提高，从而能够进行详细的“假设”分析——通过对块位置、材料选择或工艺调整进行试验，以最大限度地减少翘曲并增强可靠性。

这种迭代的左移策略使反馈保持相关性和可操作性，帮助团队在进入签字之前做出最佳的装配决策。

从仿真到验收的完整3D应力可视性

一旦封装架构和芯片布局最终确定，3D应力分析工具必须扩展以提供全面的全栈验证。例如，西门子EDA的Calibre 3DStress使用经过验证的物理模型来集成每个材料界面的应力效应，从而为签核可靠性检查提供高分辨率视图。

可视化发挥着重要作用：Calibre 3DStress 呈现突出显示应力、翘曲和边缘区域的空间图，使芯片、封装和可靠性工程师能够有针对性地进行审查和干预（图 2）。

图 2：交互式应力可视化示例：Calibre DESIGNrev 显示两个单元的器件级应力结果，并显示 x 方向的应力热图。所有属性均可交互式高亮显示，如右侧 Calibre RVE 窗口所示。

3D IC中的机械应力与电气可靠性

Calibre 3DStress 的一大独特优势在于它能够将机械应力信息（例如迁移率变化或压阻效应）直接输入到网表和器件模型中。这种反标功能可以同时评估机械和电气可靠性，因此设计团队可以对整个系统的可靠性进行全面的左移验证。

这些功能对于各种设计都至关重要，无论是汽车、高性能计算、堆叠存储器还是封装/电路关系决定产品成功的任何环境。

推动业务和工程价值

在半导体行业，实现一次流片成功日益成为竞争优势的决定性因素。Calibre 3DStress 使团队能够在设计过程中而非后期调试或发布后应对可靠性风险，从而帮助企业：

• 通过缩短调试和签核来加快上市时间
• 降低现场故障、召回和昂贵返工的可能性
• 通过可靠的特征划分追求更高的集成度
• 促进整个开发过程中的无缝芯片/封装协作
• 激发详细的多物理左移验证，以在 3D IC 和先进封装领域占据领先地位。

结论

随着异构 3D 架构成为扩展和性能提升的基础，在早期阶段进行应力感知分析已不再是可有可无的。Calibre 3DStress 等工具为设计和可靠性团队提供了分层建模、自动化、左移验证和电气集成功能。这种强大的方法确保了下一代先进半导体解决方案的可靠性和可信度。