2.5D/3D IC电源完整性挑战：mPower工具的多物理场协同分析方案

一、引言

随着半导体工艺节点进入7nm/5nm之后，2.5D/3D IC凭借先进封装（Interposer、TSV）实现Die - to - Die互连，成为后摩尔时代提升系统效能、缩小芯片面积并整合不同功能的核心驱动力。然而，2.5D/3D IC的电源完整性面临诸多挑战，如高功耗、散热问题以及热应力形变等。在此背景下，mPower工具凭借其多物理场协同分析能力，为解决这些问题提供了有效方案。

二、2.5D/3D IC电源完整性挑战

（一）高功耗与散热难题

2.5D/3D IC的典型功耗可能高达300W，在实际工作过程中，高功耗引发严重的散热问题。例如，当多个芯片通过TSV在高度方向上互连时，芯片堆叠产生的热量难以有效散发，可能导致芯片性能下降甚至损坏。

（二）电源网络复杂性

2.5D/3D IC中的中介层包含数十个芯片或小芯片，具有数百万个连接，电源网络结构复杂。电源完整性分析需要确保电源网络能够向器件提供按设计运行所需的电流，并避免导线因电迁移而过早失效。

三、mPower工具的多物理场协同分析方案

（一）多物理场耦合建模

mPower工具将模拟和数字EM、IR压降及功耗分析整合为一个完整、可扩展的解决方案。它考虑了电、热、结构等多个物理场的相互作用。例如，在热 - 电耦合分析中，通过建立热传导模型和电路模型，模拟芯片在不同工作温度下的功耗变化。以下是一个简化的热 - 电耦合分析Python代码示例：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 模拟芯片的电阻和热阻

R = 10  # 电阻，单位：欧姆

Rth = 0.1  # 热阻，单位：K/W

# 模拟不同功耗下的温度变化

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

temperature = power * Rth  # 温度，单位：摄氏度

# 模拟功耗与电流的关系

current = power / R  # 电流，单位：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()

该代码模拟了芯片功耗与温度、电流的关系，展示了热 - 电耦合的基本原理。

（二）高效电源完整性分析

mPower工具支持从RTL/门级到芯片级集成，直到封装和电路板系统级的模拟和数字电源完整性分析。它采用全新设计，可扩展至异构网络，以更佳周转时间和最低成本提供高精度的结果。例如，对于大型模拟电路的EM/IR分析，mPower能够提供详细的仿真结果，帮助设计人员识别和修复电压不足等电源问题。

（三）与其他工具的协同

mPower工具可以与其他EDA工具协同工作，实现从芯片设计到封装和系统级设计的无缝衔接。通过与芯片设计公司、EDA工具供应商、代工厂和封装公司的合作，确保各方之间的信息流通，提高设计的整体效率和可靠性。

四、结论

2.5D/3D IC的电源完整性挑战需要综合考虑多个物理场的相互作用。mPower工具通过其多物理场协同分析方案，为解决这些挑战提供了有效的途径。通过热 - 电耦合分析、高效电源完整性分析以及与其他工具的协同，mPower工具能够帮助设计人员在设计早期发现问题，优化芯片设计，确保2.5D/3D IC的电源完整性和可靠性，推动后摩尔时代半导体技术的发展。