使用MEMS Studio进行Chiplet热仿真教程

逍遥设计自动化

Chiplet简介
Chiplet技术在半导体行业中推动了革新，解决了传统单片芯片设计面临的挑战[1]。本文将指导您使用MEMS Studio软件的Chiplet Designer 模块进行热仿真案例研究[2]。

, c0 |+ R. c6 y6 I8 K* v什么是Chiplet？
$ g2 v0 E) W  M! pChiplet是构成更大系统的小型功能模块。与制造大型单片芯片不同，Chiplet技术将功能划分为多个小型芯片（Chiplet），这些Chiplet可以独立生产，通常使用不同的工艺节点，然后在封装过程中集成形成完整系统。
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. u2 k  W- N$ p$ Z9 N% M7 m, E% ]2 [Chiplet的优势

降低成本：通过允许不同组件使用最佳工艺节点制造，Chiplet可以显著降低制造和设计成本。

提高集成度：Chiplet实现了更高水平的系统集成，允许更复杂和强大的设计。

改善热效率：Chiplet的模块化特性可以带来更好的热分布和管理。
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5 J  _# S* [+ b* M6 d/ D4 a热管理挑战
随着Chiplet集成密度的增加，热管理变得越来越重要。多个Chiplet产生的热量可能导致系统过热，影响性能和可靠性。因此，热仿真成为基于Chiplet系统设计中的重要步骤。

2.5D Chiplet集成
0 |4 ^! l5 X9 B集成Chiplet的一种流行方法是2.5D集成方法。在这种配置中，Chiplet并排放置在中介层上，并使用微凸点连接。这种设计有助于减少热量积累并提高互连效率。

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图1：2.5D Chiplet集成*
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Chiplet热仿真案例研究
6 q! a, `6 R% `3 T9 G现在，让我们深入研究使用MEMS Studio的Chiplet设计器模块进行Chiplet热仿真的实际案例。
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仿真设置
1.网格配置

网格类型：三角形

自定义网格：缩放因子= 55
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2.几何结构
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" T9 I& D6 P+ b$ g图2：Chiplet仿真的几何结构

. N3 l2 N  b$ |3.制造过程配置
2 |' a2 z+ [( Q! D5 G% ^3 w. v仿真涉及三个沉积层，每层具有特定配置：
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4 l* [6 ~( B% z3 }6 e9 h5 g$ H  p- b图3：制造过程配置
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4.物理场设置
物理场设置定义了每个沉积层的热特性和条件：
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# x6 `) R9 L7 L; M! ]9 Q- S* U# h7 j图4：物理场设置

' J# ^0 v2 l" H5 T+ j仿真结果
8 e) R* H0 n6 O! s6 U配置仿真参数后，我们可以使用MEMS Studio的Chiplet设计器模块运行热仿真。结果为Chiplet结构的热分布提供了有价值的见解。

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图5：热分布结果
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热分布可视化使我们能够识别Chiplet设计中的热点和需要关注的区域。这些信息对优化热管理策略和确保基于Chiplet系统的可靠性非常重要。
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. c% Q/ W3 v- Q* u3 f分析和解释

温度梯度：观察Chiplet结构的温度梯度。温度较高的区域可能需要额外的冷却解决方案或设计修改。

热点识别：识别温度显著高于周围区域的热点。这些热点可能导致性能问题或缩短组件寿命。

热界面：分析不同层之间的热界面。确保热量从主动层有效散发到散热器或冷却解决方案。

边缘效应：注意Chiplet边缘的热行为。边缘效应有时会导致意外的热模式，可能需要在设计中特别考虑。

热均匀性：评估Chiplet结构的整体热均匀性。更均匀的温度分布通常表示更好的热管理。
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$ f1 k% C. d9 {" y( i
' n. ]; ^8 u" M' O优化策略
根据仿真结果，考虑以下优化策略：

材料选择：在需要的地方尝试不同材料，以改善热导率。

几何修改：调整某些组件的几何形状，以增强散热或减少热点。

冷却解决方案：在热密度高的区域实施额外的冷却解决方案，如微流体通道或集成散热器。

功率分配：优化Chiplet的功率分配，以实现更均衡的热分布。

热通道：在关键区域引入热通道，以改善层间垂直热传递。

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( K9 \" o! Y' o3 K, A6 H: `! |/ {) W结论
热仿真是基于Chiplet系统设计和优化的关键步骤。通过利用MEMS Studio的Chiplet Designer模块等工具，工程师可以在进行物理原型制作之前，深入了解设计的热行为。

, J& N* ^" P6 M9 c" z  L3 ?+ E6 M本文展示的案例研究演示了为Chiplet结构设置和分析热仿真的过程。通过仔细配置网格、几何结构、制造过程和物理场设置，我们可以获得准确且有意义的结果，指导设计优化过程。

) u( F" j# n" r" n0 n! N) j随着Chiplet技术的不断发展，热管理仍将是主要挑战。先进的仿真工具和方法在确保下一代半导体系统的性能、可靠性和效率方面将发挥越来越重要的作用。

) e. \9 D0 g; t3 D# y9 u% g热仿真是一个迭代过程。使用结果来指导设计变更，然后重新运行仿真以验证改进。通过每次迭代，您将更接近满足性能和热管理要求的优化Chiplet设计。本篇文章搭配的生动教学视频，请参考B站[2]。
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参考来源
[1] Feng, J.; Zhou, M.; Chen, C.; Wang, Q.; Cao, L. Thermal Interaction and Cooling of Electronic Device with Chiplet 2.5D Integration. Appl. Sci. 2024, 14, 8114.
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  M; M6 G; R1 P, @[2] 逍遥科技, "MEMS Studio——Chiplet案例," Available: https://www.bilibili.com/video/BV1kyyLYPE1e/

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. J: I9 `# A# _. Z8 Y关于我们：
+ K4 \0 P6 Z7 `( Z深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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