以下文章來源于Cadence楷登PCB及封裝資源中心，作者Cadence

本文要點

3D 集成電路從平面工藝發展而來，創造了具有多個特征層的多層半導體封裝。

3D 集成電路主要在三個方面具有優勢，分別是功耗、信號時序和混合信號集成。

3D 集成是異構集成的基礎，將更多不同的功能整合到一個單一的封裝中。

3D 集成電路的優勢有目共睹，因此現代芯片中也使用了 3D 結構，以提供現代高速計算設備所需的特征密度和互連密度。隨著越來越多的設計集成了廣泛的功能，并需要一系列不同的特征，3D 集成將與異構集成逐漸融合，將不同的芯片設計整合到一個單一的封裝。本文將概述3D 集成電路的優勢，以及它們如何助力未來的先進設備實現異構集成。

1 3D 集成電路的結構

在 VLSI 設計中，3D 集成電路的一般結構相對簡單，如下圖所示。在這種類型的系統中，集成電路是通過將特征層堆疊在一起而構成的。通過垂直堆疊單個裸片/晶圓層，在兩個電路之間傳遞電信號所需的連接長度就會縮短。這種更短的互連造就了 3D 集成電路的優勢。

3D 集成電路的結構；圖片來源：ARM

2 3D 集成電路的四大優勢

功耗更低

自 20 世紀 90 年代末以來，為了降低功耗，設計人員開始縮小封裝尺寸，采用新穎的互連設計。在某種程度上，在集成電路中縮小封裝尺寸的唯一方法是以 3D 方式堆疊設計。

縮短互連長度可以降低功耗，因為互連長度上的直流電阻損耗較低。這一點非常重要，因為設計已經擴展到更小的技術節點，需要更薄的互連和更大的直流電阻。

信號轉換更快

由于在這些設計中使用了較短的互連，垂直互連的總電容比水平互連的要小。這意味著互連中的信號將具有較低的 RC 時間常數，可以在接通和斷開狀態之間進行更快的轉換。

此外，由于總的寄生電容較低，互連上的信號延遲也較低，確保了開關從輸入到輸出的傳播速度。得益于這些因素，數字信號的串行數據速率更快。

模擬和數字集成

3D 集成可以將模擬和數字電路塊集成到同一個封裝中，減少了信號完整性問題，而且不會大幅度增加封裝尺寸。在這些封裝中，數字和模擬模塊可以通過平面排列的方式彼此分開。

盡管如此，在不過度增加封裝尺寸的情況下，仍然可以在垂直方向上為每個模塊添加更多的功能。通過將模塊隔離到各自的區域內，更容易控制串擾和噪聲耦合，在設計中不會產生重大的信號問題。

節省空間

最后，由于封裝尺寸更小，最明顯的優勢是可以節省空間。垂直堆疊的 3D 集成電路可以做到非常薄，與將電路模塊分散在半導體裸片的廣闊空間內相比，3D 集成頗具優勢。

因此，更多的元件和功能可以整合在一塊 PCB 上，實現密度更高的設計和高級封裝。

盡管這些封裝很實用，在信號完整性方面也有優勢，但仍需要使用仿真工具來確保設計按預期運行。在電路層面，通過 SPICE 仿真來評估可靠性，并通過場求解器應用來進行物理布局和封裝層面的仿真。先進的封裝應采用多物理場分析方法，以評估熱可靠性。集成電路設計師最好能在原型設計前發現封裝問題，并盡早優化設計。

3 異構集成的未來發展

2019 年，三家 IEEE 協會（電子封裝協會、光子學會和電子器件協會）共同發布了異構集成路線圖 (Heterogeneous Integration Roadmap，即HIR) 。該路線圖規定了異構集成系統的性能基準，其中多個電路和器件集成到一個半導體封裝中。此類設計是真正的系統級封裝 (systems-in-package，即SiP)，其中多個半導體裸片器件集成到同一個封裝內。

AMD Fiji GPU 中使用的異構架構；圖片來源：Design007，2020 年 10 月刊

這種新形式的 IC 設計看起來和 PCB 設計工程師在電路板上所做的工作一樣。這些器件已經利用了 3D 集成的優勢，即多個 3D 集成電路被組合并連接到同一個封裝中。集成電路設計師可以采取更加模塊化的方式進行半導體設計，將不同裸片上的多個器件用硅基板、玻璃基板或在晶圓上作為單片集成電路集成到同一封裝中。

實現這種模塊和功能集成主要歸功于硅通孔 (through-silicon via，即 TSV)。最早在中介層上用 TSV 實現芯片堆疊的器件之一是 CMOS 成像傳感器。TSV 被用來通過傳感器上的中介層形成互連，以連接片上讀出電路。高速計算處理器可以采用類似的封裝方式；這方面的第一個例子是 AMD 的 Fiji GPU（見上文），該產品已于 2017 年發布，使用 TSV 中介層將內存和圖形處理器集成在一個封裝中。

隨著封裝技術越來越先進，這種類型的集成預計將繼續發展完善。芯片、裸片-晶圓/裸片-裸片結構和多芯片模塊都體現了現代集成電路中的 3D 集成和更大的特征密度。

如果想為專門的應用開發更先進的器件，設計師將繼續采用帶有異構集成的 3D 設計方法。如果想在設計中實現 3D 集成電路的所有優勢，可以使用 Cadence 的全套系統分析工具。VLSI 設計師可以將多個特征模塊集成到新的設計中，并定義連接，實現持續集成和擴展。強大的場求解器提供全套軟件仿真功能，與電路設計和 PCB 布局軟件集成，打造完整的系統設計工具包，適用于各類應用和各種復雜程度的設計。