現(xiàn)階段半導(dǎo)體工藝迭代邏輯發(fā)生改變，傳統(tǒng)晶體管微縮進(jìn)程逐步放緩，先進(jìn)封裝成為提升芯片綜合性能的核心方式。2.5D以及3D集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電源完整性問題往往相互牽連、難以拆分分析。想要保障芯片供電穩(wěn)定，行業(yè)需要搭建全域系統(tǒng)級(jí)分析邏輯，綜合考量動(dòng)態(tài)電流變化、分布式寄生參數(shù)以及跨域電磁耦合帶來的影響。針對(duì)先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，西門子推出Innovator 3D IC工具套件，整合多款專業(yè)仿真工具，搭建自動(dòng)化分析流程，為芯片電源完整性設(shè)計(jì)提供完整解決方案。

2.5D與3D IC結(jié)構(gòu)示意圖

統(tǒng)一集成設(shè)計(jì)平臺(tái)

Innovator3D IC Integrator 以數(shù)字孿生數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，適配異構(gòu)集成研發(fā)流程。該平臺(tái)作為核心管控中樞，聯(lián)動(dòng)多款專業(yè)工具協(xié)同工作，包含負(fù)責(zé)芯片功耗建模的mPower、用于寄生參數(shù)提取的Calibre xACT3D、以及做封裝電磁分析的HyperLynx高級(jí)求解器。

Innovator3D IC電源完整性工作流程圖

平臺(tái)能夠匯集芯片、中介層、封裝等全部設(shè)計(jì)資料，生成統(tǒng)一的系統(tǒng)化模型，避免多款軟件交替轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)誤差。設(shè)計(jì)人員可以直觀查看芯片互連結(jié)構(gòu)與電源分布狀態(tài)，快速排查布局匹配問題。平臺(tái)自帶圖形化操作流程，工作人員可自主選定電源域完成針對(duì)性分析；選定分析對(duì)象后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用仿真工具完成參數(shù)提取與電磁測算，生成標(biāo)準(zhǔn)化電源完整性測試文件，評(píng)估電壓跌落、電路噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)，有效縮短仿真研發(fā)周期。

高精度芯片功耗建模

芯片供電分析需要精準(zhǔn)的功耗模型作為支撐，mPower工具可生成高精細(xì)度芯片電源模型，完整收錄芯片靜態(tài)通電與動(dòng)態(tài)工作時(shí)的電流數(shù)據(jù)，真實(shí)還原芯片實(shí)際運(yùn)行工況。該工具會(huì)先提取芯片內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)的寄生參數(shù)，結(jié)合不同工作負(fù)載測算電流波形，最終封裝為通用性標(biāo)準(zhǔn)化模型。工作人員可將模型導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，提前預(yù)判芯片電壓壓降、瞬態(tài)波動(dòng)等供電隱患，為后續(xù)系統(tǒng)級(jí)仿真提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

中介層寄生參數(shù)提取

在2.5D、3D芯片結(jié)構(gòu)中，中介層與硅橋產(chǎn)生的寄生參數(shù)，會(huì)直接影響整體供電穩(wěn)定性。Calibre xACT3D能夠精準(zhǔn)提取電阻、電感、電容等電氣參數(shù)，覆蓋硅通孔、微凸點(diǎn)、重布線層等核心結(jié)構(gòu)，捕捉密集走線之間的電磁耦合干擾。工具支持寬頻仿真工作模式，可適配芯片高低頻切換的復(fù)雜工作場景。

針對(duì)結(jié)構(gòu)特殊的硅通孔，該工具采用專業(yè)場域求解算法，將垂直電流分段拆解計(jì)算電磁場耦合關(guān)系，生成頻變阻抗矩陣并擬合為簡易電路模型，在保證仿真精度的同時(shí)，提升運(yùn)算效率，適配高密度硅通孔芯片的設(shè)計(jì)需求。

封裝結(jié)構(gòu)電磁仿真測算

在多芯片集成系統(tǒng)中，封裝結(jié)構(gòu)是電路阻抗的主要來源。HyperLynx高級(jí)求解器可解析封裝自帶的電容、電感以及走線耦合特性，輸出標(biāo)準(zhǔn)化散射參數(shù)，測算頻段覆蓋兆赫茲至吉赫茲。工具能夠識(shí)別電路回流異常、諧振尖峰等隱患，判定噪聲擾動(dòng)與電壓波動(dòng)的形成原因。依托高精度封裝模型，工程師可以分析堆疊芯片之間的供電干擾，適配高帶寬內(nèi)存、多電源域高端芯片的研發(fā)設(shè)計(jì)。

全域系統(tǒng)仿真流程

整套解決方案具備自動(dòng)化整合能力，Innovator3D IC可自動(dòng)匯總芯片功耗模型、寄生參數(shù)資料以及封裝仿真數(shù)據(jù)，在HyperLynx軟件中搭建完整的系統(tǒng)電氣網(wǎng)表。工作人員依托一體化模型，可開展同步開關(guān)噪聲分析、動(dòng)態(tài)電壓壓降測試、頻域阻抗檢測等多項(xiàng)仿真工作。

HyperLynx仿真測試平臺(tái)示意圖

系統(tǒng)仿真能夠定位電路諧振缺陷與供電薄弱區(qū)域，輔助研發(fā)人員優(yōu)化去耦元件配置與供電布局。所有仿真流程均可在流片前完成，提前排查電源隱患，降低芯片研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品上市周期。

芯片電源端歸一化瞬態(tài)壓降曲線圖

方案綜合優(yōu)勢(shì)

西門子Innovator3D IC解決方案打通了芯片、中介層、封裝的仿真壁壘，將電源完整性與信號(hào)完整性分析整合至同一操作平臺(tái)，簡化2.5D與3D芯片的復(fù)雜設(shè)計(jì)流程。這套一體化工具鏈路可完成全供電網(wǎng)絡(luò)的仿真分析，幫助企業(yè)在先進(jìn)封裝芯片研發(fā)過程中規(guī)避設(shè)計(jì)漏洞、把控研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提升芯片設(shè)計(jì)的成功率與穩(wěn)定性。