重塑 3D IC 设计格局：跨越高效协同、验证、散热及应力管理障碍

随着科技的飞速发展，摩尔定律逐渐逼近物理极限，传统二维集成电路技术在性能提升和芯片密度方面遭遇瓶颈。为满足高性能计算、人工智能等领域不断增长的应用需求，3D IC 技术应运而生。它通过在垂直方向上堆叠多个芯片和器件，显著提高了芯片的集成度和性能，成为未来集成电路产业的关键发展方向。不过，3D IC 在设计过程中面临着诸多技术挑战。

高效协同平台，重塑异构复杂设计范式

3D IC 的设计复杂度远远超过传统平面 IC。其核心在于将不同功能、不同工艺的芯片集成，形成高性能系统。这种复杂设计通常涉及多个工程团队的分布式设计，缺乏统一设计管理环境使跨系统连接规划和协调极为困难。而且，3D IC 设计规模不断扩大，目前业界领先的 3D IC 已有多达百万个管脚，对设计工具的性能和效率提出了极高要求。

2024 年，西门子 EDA 推出 Innovator3D IC™解决方案，助力 IC 设计师高效创建、仿真和管理异构集成的 2.5D/3D IC 设计。设计团队能高效管理 3D IC 系统数据并实现有效关联，可一键导出文件至仿真与验证工具快速评估，清晰的数据传递有助于精准预测和规避下游问题。

2025 年 6 月，Innovator3D IC 套件发布，具备强大的多线程与多核处理能力，能为 500 多万管脚的设计提供优化性能。其中，Innovator3D IC Integrator 可通过统一数据模型构建数字孪生的整合集成环境，用于设计规划、原型验证及预测分析；Innovator3D IC Layout 解决方案用于 “设计即正确” 封装中介层与基底实现；Innovator3D IC Protocol Analyzer 用于芯粒间及裸片间接口合规性分析；Innovator3D IC Data Management 可解决设计的复杂性、协作性和可靠性，以及设计数据 IP 的在研管理。

Innovator3D IC 还支持通过 LEF/DEF 进行层次化器件规划，能在几分钟内构建拥有百万个引脚的 Chiplet（小芯片），并提供高效的 ECO（工程变更指令）流程。它能在层次化数据模型之上，将芯片 / 小芯片、中介层、封装基板乃至系统 PCB 建模为多层级的器件层次结构，即使在涉及超过五千万个引脚的设计组装中，也能展现卓越的可扩展性、容量和性能。

此外，西门子 EDA 的物理设计工具 xPD 及 Aprisa 进一步提供了创新的设计自动化、验证、优化和良率增强技术，确保客户的 Layout 设计满足所有性能、制造和可靠性要求。这些工具专为复杂设计而生，目前已支持总引脚超过 200 万管脚的复杂设计。同时，xPD 支持多用户异地实时协同设计，大大提高了团队协作效率，缩短了设计周期。

堆叠验证全覆盖，筑牢 3D IC 可靠性

3D IC 系统由多颗芯片堆叠而成，验证芯片堆叠后是否正确连接是一大难题。这不仅涉及芯片间的 DRC（设计规则检查）和 LVS（电路与版图对比验证），当芯片采用不同制造工艺时，实现自动且高效的准确验证更为棘手。此外，芯片堆叠连接后，整个 ESD（静电放电）网络和路径可能发生本质变化，验证新 ESD 网络和路径的可靠性也变得复杂。

西门子 EDA 针对这些验证挑战，扩展了其 Calibre® 平台。Calibre 3DStack 工具能自动化检查 die 引脚版图是否对准以及 3D IC 的 LVS，确保芯片间连接正确。同时，Calibre 3DPERC 和 mPower 工具可验证 die 堆叠后的可靠性问题，如 ESD、EMIR 等。

随着 3D IC 设计系统日益复杂，还会带来更多系统性能问题，如信号完整性、电源完整性等。西门子 EDA 提供组合 Calibre xACT 和 HyperLynx SI，以及 mPower 和 HyperLynx PI，可对芯片、系统和 PCB 建模，并进行结合的仿真分析，保证整个 3D IC 系统的仿真结果和精度。此方案还可嵌入设计流程进行快速仿真，提升仿真收益。

前瞻性分析，解决散热和应力难题

在 3D 堆叠结构中，芯片工作产生的热量难以有效散发，热量堆积会导致晶体管结温和金属互联线温度升高，影响芯片性能，甚至损坏芯片。因此，仿真 3D IC 的散热情况，并将温度分布反馈到每个芯片的器件来验证对性能的影响，是芯片设计工程师必须面对的问题。

西门子 EDA 推出的 Calibre 3DThermal 软件，可针对 3D IC 中的热效应进行分析、验证与调试。该工具能让芯片设计人员从芯片和封装设计的早期内部探索到 signoff 阶段，对热效应进行快速建模和可视化呈现。它能帮助用户分析芯片堆叠后的散热效果以及每个芯片上单元级别的热分布状况，从而仿真分析散热对每个芯片性能的影响，进而优化芯片的布局布线或封装设计，有效解决散热问题。

此外，随着 2.5D/3D IC 架构的裸片厚度降低及封装工艺温度升高，高温会给芯片带来新的应力，导致器件的电学性能发生偏移。预估这种应力对芯片电学性能的影响也是一个难题。

Calibre 3DStress 正是针对这一挑战而推出，支持在 3D IC 封装场景下对热 - 机械应力及翘曲进行晶体管级精确分析、验证与调试，使芯片设计师能够在开发早期评估芯片封装交互作用对设计功能的影响。这种前瞻性分析不仅可预防后期失效，提升设计效率、良率及可靠性，还能优化设计以提升性能与耐用性。

3D IC 技术作为未来集成电路重要的发展方向，具有广阔的应用前景。西门子 EDA 凭借创新的、丰富的工具链，为 3D IC 的设计协同、堆叠验证、散热和应力等问题提供了全面的解决方案，助力行业突破技术瓶颈。未来，随着工艺进步和市场需求的推动，3D IC 有望在更多领域实现突破，而西门子 EDA 将继续引领技术创新，为 3D IC 的可持续发展注入强大动力。