ICC訊 在2024年臺積電OIP生態系統論壇上，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的方法來表示其日益復雜的技術產品。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，開發了一種簡化的方法來檢查多個芯片的設計規則。

  2024年的創新：利用3DBlox克服復雜性

  到2024年，臺積電將面對3DIC系統日益增長的復雜性，并制定新的戰略來解決這一問題。關鍵的創新是將三維設計挑戰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劃階段定位，就會轉化為二維問題，利用現有的二維設計解決方案簡化整個流程。

  2024年的關鍵技術發展

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

  （1）設計規劃：管理電氣和物理限制

  在3DIC系統中，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省物理資源的同時，還能維持必要的功率。

  臺積電的關鍵創新之一是將單個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調挑戰，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2D設計中更為突出。為解決這一問題，臺積電開發了一個通用數據庫，允許不同的引擎根據預定義的標準進行交互和會聚，從而實現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。臺積電開發了Mech Tech文件，為行業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，臺積電創建了一個設計規則檢查 (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集成規模的擴大，基板布線的復雜性也在增加。基板設計歷來是一個手動過程。基板尺寸的不斷擴大，加上現代3DIC設計的復雜要求，使這一領域必須進行新的創新。

  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領域出現的更大型、更復雜的設計至關重要。臺積電通過3DFabric聯盟與OSAT伙伴合作支持這種格式。

  總結：3DBlox——為3DIC創新鋪平道路

  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年在設計規劃、實施、分析、物理驗證和基底布線方面的突破，臺積電的創新正在為更高效、更可擴展的3DIC解決方案鋪平道路。隨著業界向更先進的3D集成邁進，3DBlox委員會宣布計劃通過IEEE公開發布3DBlox標準。未來幾年，3DBlox將繼續發揮重要作用，幫助設計人員滿足半導體技術日益增長的需求。