一、引言

隨著半導體工藝節(jié)點進入7nm/5nm之后，2.5D/3D IC憑借先進封裝（Interposer、TSV）實現Die - to - Die互連，成為后摩爾時代提升系統(tǒng)效能、縮小芯片面積并整合不同功能的核心驅動力。然而，2.5D/3D IC的電源完整性面臨諸多挑戰(zhàn)，如高功耗、散熱問題以及熱應力形變等。在此背景下，mPower工具憑借其多物理場協(xié)同分析能力，為解決這些問題提供了有效方案。

二、2.5D/3D IC電源完整性挑戰(zhàn)

（一）高功耗與散熱難題

2.5D/3D IC的典型功耗可能高達300W，在實際工作過程中，高功耗引發(fā)嚴重的散熱問題。例如，當多個芯片通過TSV在高度方向上互連時，芯片堆疊產生的熱量難以有效散發(fā)，可能導致芯片性能下降甚至損壞。

（二）電源網絡復雜性

2.5D/3D IC中的中介層包含數十個芯片或小芯片，具有數百萬個連接，電源網絡結構復雜。電源完整性分析需要確保電源網絡能夠向器件提供按設計運行所需的電流，并避免導線因電遷移而過早失效。

三、mPower工具的多物理場協(xié)同分析方案

（一）多物理場耦合建模

mPower工具將模擬和數字EM、IR壓降及功耗分析整合為一個完整、可擴展的解決方案。它考慮了電、熱、結構等多個物理場的相互作用。例如，在熱 - 電耦合分析中，通過建立熱傳導模型和電路模型，模擬芯片在不同工作溫度下的功耗變化。以下是一個簡化的熱 - 電耦合分析Python代碼示例：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 模擬芯片的電阻和熱阻

R = 10  # 電阻，單位：歐姆

Rth = 0.1  # 熱阻，單位：K/W

# 模擬不同功耗下的溫度變化

power = np.linspace(0, 100, 100)  # 功耗，單位：瓦特

temperature = power * Rth  # 溫度，單位：攝氏度

# 模擬功耗與電流的關系

current = power / R  # 電流，單位：安培

plt.figure()

plt.subplot(2, 1, 1)

plt.plot(power, temperature)

plt.xlabel('Power (W)')

plt.ylabel('Temperature (°C)')

plt.title('Power - Temperature Relationship')

plt.subplot(2, 1, 2)

plt.plot(power, current)

plt.xlabel('Power (W)')

plt.ylabel('Current (A)')

plt.title('Power - Current Relationship')

plt.tight_layout()

plt.show()

該代碼模擬了芯片功耗與溫度、電流的關系，展示了熱 - 電耦合的基本原理。

（二）高效電源完整性分析

mPower工具支持從RTL/門級到芯片級集成，直到封裝和電路板系統(tǒng)級的模擬和數字電源完整性分析。它采用全新設計，可擴展至異構網絡，以更佳周轉時間和最低成本提供高精度的結果。例如，對于大型模擬電路的EM/IR分析，mPower能夠提供詳細的仿真結果，幫助設計人員識別和修復電壓不足等電源問題。

（三）與其他工具的協(xié)同

mPower工具可以與其他EDA工具協(xié)同工作，實現從芯片設計到封裝和系統(tǒng)級設計的無縫銜接。通過與芯片設計公司、EDA工具供應商、代工廠和封裝公司的合作，確保各方之間的信息流通，提高設計的整體效率和可靠性。

四、結論

2.5D/3D IC的電源完整性挑戰(zhàn)需要綜合考慮多個物理場的相互作用。mPower工具通過其多物理場協(xié)同分析方案，為解決這些挑戰(zhàn)提供了有效的途徑。通過熱 - 電耦合分析、高效電源完整性分析以及與其他工具的協(xié)同，mPower工具能夠幫助設計人員在設計早期發(fā)現問題，優(yōu)化芯片設計，確保2.5D/3D IC的電源完整性和可靠性，推動后摩爾時代半導體技術的發(fā)展。