一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法，考虑热、力、电多物理域之间耦合对立体集成电路可靠性的影响，加入了热学、力学设计步骤，建立了热、力、电多物理域协同设计方法。该协同设计方法通过热、力、电设计步骤之间互相迭代，直到三者都满足设计要求为止，保证了立体集成电路高可靠性设计要求。克服了目前立体集成电路设计流程中缺少热、力设计步骤的缺陷。

Multi physical field cooperative design method for solid integrated circuit based on silicon through hole

The invention discloses a method of collaborative design of three-dimensional integrated circuit silicon via multiple physical domains based on considering the effect of coupling between thermal, mechanical and electrical physical domain to three-dimensional integrated circuit reliability, joined the thermal and mechanical design process, established the thermal, mechanical and electrical physical multi domain collaborative design method. The collaborative design method is designed to meet the design requirements by thermal, mechanical and electrical design steps, until the three of them meet the design requirements, thus ensuring the high reliability design requirements of the solid integrated circuit. The invention overcomes the defects of the lack of heat and force design steps in the current design process of the three-dimensional integrated circuit.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法
本专利技术属于立体集成电路
，涉及一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法。
技术介绍
基于硅通孔(Through-SiliconVia，TSV)的立体集成技术通过硅通孔使信息在堆叠的芯片间纵向传输，可大幅缩短芯片全局互连长度，缓解布线通道阻塞，是促进集成电路跨越式发展的最有效途径之一。虽然立体集成技术具有巨大的优势，但由于在电子系统中引入了垂直方向互连，因此增加了立体集成电路设计复杂度，随着立体集成电路制作工艺逐渐成熟，设计技术已成为制约立体集成电路发展的最大障碍。目前，基于硅通孔的立体集成电路设计技术面临的问题主要有两点：一是缺乏完整的三维电路设计软件，导致许多研究机构无法建立完整的设计流程。为解决设计软件缺乏的问题，有少数研究机构针对特定应用环境与制作工艺自行开发三维设计软件。上述这些软件属于自行开发，仅供内部或学术使用，并不公开销售，因此不适用于开发量产产品。由于开发出的设计软件千差万别，具有一定针对性，因此用其建立起来的设计流程也不尽相同，不具备通用性。而且，开发专用的三维电路设计软件需要花费大量资金，会使立体集成电路设计成本急剧提升。二是基于平面集成电路设计方法学的立体集成电路设计流程无法完成电、力、热多物理域协同设计。虽然立体集成设计技术复杂度较高，但与平面集成电路仍有许多相通的地方，因此目前大多数研究机构仍采用二维电路设计软件，或在二维电路设计软件中扩展一些三维设计功能，并借鉴平面集成电路成熟的设计方法学，建立立体集成电路设计流程。如北卡罗来纳州大学所发表的立体集成电路设计流程，其具体步骤为：首先进行系统划分、布局，将立体集成系统划分为各个子模块，然后利用二维设计软件设计各个子模块，最后通过专用二维版图软件对各个子模块进行整合。可以看到此流程中各个子模块的设计完全采用平面电路设计方法和流程，只有在开始系统划分和最后整合阶段考虑了立体集成电路三维互连，整体设计流程基本上借鉴了平面集成电路设计思想，大量采用二维设计软件，是一种基于平面集成电路设计方法学的立体集成电路设计流程。此种流程最大的优点是使用二维电路设计软件，可以为立体集成电路设计节省开发成本，采用的平面集成电路设计方法学也较为成熟可靠。但缺点是由于借鉴平面集成电路设计，整体设计流程中并没有引入热、力设计，更没有考虑热、力、电多物理域之间耦合对立体集成电路可靠性的影响，缺失多物理场协同设计，因此经此流程设计出的立体集成电路可能会在热、力可靠性方面不满足设计要求。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法，充分考虑了热、力、电相互耦合对立体集成电路的影响，三者协同设计呈现迭代关系，环环相扣，保证了立体集成电路高可靠性设计。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法，包括以下操作：1)对立体集成电路进行系统级划分，将整体电路系统划分为各个子模块，划分出的子模块将会布置在立体叠层结构中的各层芯片上；2)将划分的各功能模块进行功能性的电连接以实现立体集成电路的功能，得到立体集成电路原理图；在各功能模块连接完成后进行功能仿真；在功能仿真过程中如果发现功能有误，则返回对各功能模块的互联关系进行修正，修正后再进行后续的功能仿真验证步骤，至到所有功能仿真验证通过；3)以散热性能最优为指导原则，进行立体集成电路叠层布局设计，然后通过热仿真对叠层顺序是否合理进行验证，如果验证不通过，则重新设计叠层顺序进行后续的热仿真，至到在热仿真中散热性能满足预定的要求；4)待立体集成电路叠层布局设计好后，进行立体集成电路三维电互连设计：首先，进行硅通孔布局设计，根据立体集成电路原理图设计步骤中各芯片二维互连关系，初步布置各层芯片硅通孔的位置；将各层芯片上硅通孔的名称、物理二维坐标、穿过的芯片层数、与芯片的互连关系等信息建立成三维映射关系数据库；其次，进行布线设计，将三维映射关系中硅通孔的位置和互连信息，输入现有二维布线软件中，在各层芯片上渐进性RDL引线的设计，实现不同芯片上硅通孔之间电互连；如果在布线阶段，发现某区域RDL引线布线资源不够，则返回硅通孔布局设计阶段，重新调整该区域硅通孔位置，并相应的更新三维映射关系数据库中硅通孔信息，利用更新后的三维映射关系数据库对该区域RDL引线进行重新设计；最后，进行立体集成电路三维电互连设计设计规则检查和物理验证；5)通过进行立体集成电路热机械耦合仿真，确定叠层结构中的应力分布情况，找出应力较强区域，指导4)步骤立体集成电路三维电互连设计，优化硅通孔布局、布线；若仿真中应力超出设计规范，则返回4)步骤重新设计强应力区域内硅通孔布局和RDL布线；6)通过时序仿真验证立体集成电路时序完整性，验证功能模式下立体集成电路时序是否满足设计要求；若时序仿真结果出错，则返回4)步骤重新设计硅通孔布局和RDL布线；7)通过信号完整性仿真、电源完整性仿真，验证立体集成电路系统在瞬态抽取电流时，是否存在电源完整性的问题；若仿真存在问题则返回4)步骤重新设计该区域内硅通孔布局和RDL布线。所述在进行系统级划分时，如按功能划分，可将相同功能的模块布置在同一层芯片上；按芯片制作工艺水平划分，可将相同工艺水平条件下制作的模块布置在同一芯片层上；按芯片功耗划分，可将功耗差异不大的模块布置在同一层芯片上。所述在进行立体集成电路原理图设计时，是按照立体集成电路中各层芯片的功能互连关系，相对应在平面电路设计软件中画出各功能模块的二维互连关系，实现立体集成电路原理图向平面集成电路原理图的映射，不考虑三维硅通孔的互连特性；在进行功能仿真时，原理图中各芯片的RTL代码，通过平面电路仿真工具进行功能验证；如果仿真验证后发现功能有误，则需要立即返回立体集成电路原理图设计阶段对互联关系进行修正，修正后再进行后续的功能仿真验证步骤。所述立体集成电路原理图设计使用AltiumDesigner二维电路原理图设计软件进行各功能模块的二维互连；功能仿真使用的软件为二维电路仿真软件ModelSim或Incisive。所述在立体集成电路叠层布局设计时，芯片叠层顺序以散热性能最优为指导原则，将功耗大的芯片布置在顶层或底层靠近热沉的位置；所述的热仿真是基于现有的有限元热仿真软件，根据叠层布局设计情况，建立相应的立体集成电路叠层三维仿真模型，在模型上加载各叠层芯片功耗、材料物理属性，通过仿真计算出温度场的分布情况，判断该叠层顺序下散热性能是否符合设计最终要求；如果不合理，则返回立体集成电路叠层布局设计阶段重新设计叠层顺序。所述的立体集成电路叠层布局设计时使用ExpeditiongADVPKG设计软件；热仿真使用的软件为有限元热仿真软件ANSYSIcePAK。所述硅通孔及RDL引线的布线软件为二维电路布线工具ICCompiler，立体集成电路三维电互连设计规则和物理验证工具为Calibre。所述的立体集成电路热机械耦合仿真是采用有限元仿真软件建立含有硅通孔和RDL引线的立体集成电路叠层模型，在模型上加载不同的温度场，仿真出应力分布云图，通过应力分布云图找出应力较强的区域；如果应力超出设计规范，则返回4)步骤重新设计强应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法，其特征在于，包括以下操作：1)对立体集成电路进行系统级划分，将整体电路系统划分为各个子模块，划分出的子模块将会布置在立体叠层结构中的各层芯片上；2)将划分的各功能模块进行功能性的电连接以实现立体集成电路的功能，得到立体集成电路原理图；在各功能模块连接完成后进行功能仿真；在功能仿真过程中如果发现功能有误，则返回对各功能模块的互联关系进行修正，修正后再进行后续的功能仿真验证步骤，直到所有功能仿真验证通过；3)以散热性能最优为指导原则，进行立体集成电路叠层布局设计，然后通过热仿真对叠层顺序是否合理进行验证，如果验证不通过，则重新设计叠层顺序进行后续的热仿真，直到在热仿真中散热性能满足预定的要求；4)待立体集成电路叠层布局设计好后，进行立体集成电路三维电互连设计：首先，进行硅通孔布局设计，根据立体集成电路原理图设计步骤中各芯片二维互连关系，初步布置各层芯片硅通孔的位置；将各层芯片上硅通孔的名称、物理二维坐标、穿过的芯片层数、与芯片的互连关系信息建立成三维映射关系数据库；其次，进行布线设计，将三维映射关系中硅通孔的位置和互连信息，输入现有二维布线软件中，在各层芯片上渐进性RDL引线的设计，实现不同芯片上硅通孔之间电互连；如果在布线阶段，发现某区域RDL引线布线资源不够，则返回硅通孔布局设计阶段，重新调整该区域硅通孔位置，并相应的更新三维映射关系数据库中硅通孔信息，利用更新后的三维映射关系数据库对该区域RDL引线进行重新设计；最后，进行立体集成电路三维电互连设计设计规则检查和物理验证；5)通过进行立体集成电路热机械耦合仿真，确定叠层结构中的应力分布情况，找出应力较强区域，指导4)步骤立体集成电路三维电互连设计，优化硅通孔布局、布线；若仿真中应力超出设计规范，则返回4)步骤重新设计强应力区域内硅通孔布局和RDL布线；6)通过时序仿真验证立体集成电路时序完整性，验证功能模式下立体集成电路时序是否满足设计要求；若时序仿真结果出错，则返回4)步骤重新设计硅通孔布局和RDL布线；7)通过信号完整性仿真、电源完整性仿真，验证立体集成电路系统在瞬态抽取电流时，是否存在电源完整性的问题；若仿真存在问题则返回4)步骤重新设计该区域内硅通孔布局和RDL布线。...

【技术特征摘要】
1.一种基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法，其特征在于，包括以下操作：1)对立体集成电路进行系统级划分，将整体电路系统划分为各个子模块，划分出的子模块将会布置在立体叠层结构中的各层芯片上；2)将划分的各功能模块进行功能性的电连接以实现立体集成电路的功能，得到立体集成电路原理图；在各功能模块连接完成后进行功能仿真；在功能仿真过程中如果发现功能有误，则返回对各功能模块的互联关系进行修正，修正后再进行后续的功能仿真验证步骤，直到所有功能仿真验证通过；3)以散热性能最优为指导原则，进行立体集成电路叠层布局设计，然后通过热仿真对叠层顺序是否合理进行验证，如果验证不通过，则重新设计叠层顺序进行后续的热仿真，直到在热仿真中散热性能满足预定的要求；4)待立体集成电路叠层布局设计好后，进行立体集成电路三维电互连设计：首先，进行硅通孔布局设计，根据立体集成电路原理图设计步骤中各芯片二维互连关系，初步布置各层芯片硅通孔的位置；将各层芯片上硅通孔的名称、物理二维坐标、穿过的芯片层数、与芯片的互连关系信息建立成三维映射关系数据库；其次，进行布线设计，将三维映射关系中硅通孔的位置和互连信息，输入现有二维布线软件中，在各层芯片上渐进性RDL引线的设计，实现不同芯片上硅通孔之间电互连；如果在布线阶段，发现某区域RDL引线布线资源不够，则返回硅通孔布局设计阶段，重新调整该区域硅通孔位置，并相应的更新三维映射关系数据库中硅通孔信息，利用更新后的三维映射关系数据库对该区域RDL引线进行重新设计；最后，进行立体集成电路三维电互连设计设计规则检查和物理验证；5)通过进行立体集成电路热机械耦合仿真，确定叠层结构中的应力分布情况，找出应力较强区域，指导4)步骤立体集成电路三维电互连设计，优化硅通孔布局、布线；若仿真中应力超出设计规范，则返回4)步骤重新设计强应力区域内硅通孔布局和RDL布线；6)通过时序仿真验证立体集成电路时序完整性，验证功能模式下立体集成电路时序是否满足设计要求；若时序仿真结果出错，则返回4)步骤重新设计硅通孔布局和RDL布线；7)通过信号完整性仿真、电源完整性仿真，验证立体集成电路系统在瞬态抽取电流时，是否存在电源完整性的问题；若仿真存在问题则返回4)步骤重新设计该区域内硅通孔布局和RDL布线。2.如权利要求1所述的基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法，其特征在于，在进行系统级划分时，如按功能划分，可将相同功能的模块布置在同一层芯片上；按芯片制作工艺水平划分，可将相同工艺水平条件下制作的模块布置在同一芯片层上；按芯片功耗划分，可将功耗差异不大的模块布置在同一层芯片上。3.如权利要求1所述的基于硅通孔的立体集成电路多物理域协同设计方法，其特征在于，在进行立体集成电路原理图设计时，是按照立体集成电路中各层芯片的功能互连关系，相对应在平面电路设计软件中画出各功能模块的二维互连关系，实现立体集成电路原理图向平面集成电路原理图的映射，不...

【专利技术属性】
技术研发人员：单光宝，刘松，谢成民，孙有民，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61