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Über dieses Buch

Der zunehmende Einsatz dreidimensional strukturierter elektronischer Schaltkreise und Baugruppen ermöglicht eine signifikante Steigerung ihrer Funktionalität durch hohe Integrationsdichten sowie heterogener Integration. Dieser heute zu beobachtende technologische Paradigmenwechsel hat einen gravierenden Einfluss auf die Vorgehensweise beim Entwurf der neuartigen Baugruppen. Das Buch stellt die sich ergebenden Herausforderungen vor und präsentiert neuartige Lösungen.

Nach einer Einführung in 3D-Systeme (Teil I) mit den sich ergebenden neuen Anwendungsmöglichkeiten wird detailliert auf die beiden wesentlichen Abschnitte des Entwurfs - Modellierung und Simulation (Teil II) sowie Layoutentwurf (Teil III) - eingegangen. Die Behandlung der Probleme mit zugehörigen Lösungsansätzen erfolgt dabei entsprechend des Entwurfsflusses, d. h. in der Reihenfolge ihrer Bearbeitung.

Das Buch ist hauptsächlich besonders für Entscheider in der Industrie interessant aber auch für Studenten der Elektronik an Universitäten und Fachhochschulen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

3D-Systeme

Frontmatter

1. Einführung

Die Mikroelektronik ist nach wie vor einer der wichtigsten Treiber von Innovationen. Die gewünschte Qualität und Funktionalität vieler Produkte wird erst durch die Anwendung von Schaltkreisen erreicht. Diese sind für viele Zweige der Industrie der Motor der technischen Entwicklung, und ihr geschickter Einsatz bildet letztlich ein Unterscheidungsmerkmal gegenüber Wettbewerbern. Technische Innovationen, wie das Mobiltelefon und die Play Station, wären ohne die Mikroelektronik undenkbar. Bereits heute lässt sich beispielsweise das Auto als rollendes Mehrprozessorsystem auffassen. Die Realisierung der Sicherheitsfunktionen rund um das Auto und die damit verbundene Senkung der Anzahl der Verkehrstoten bei ständig zunehmendem Verkehr wären ohne die Produkte der Mikroelektronik nicht möglich. Aber auch die Energietechnik, die Medizintechnik und die Automatisierungstechnik profitieren mehr und mehr von dieser Entwicklung. Intelligente elektronische Systeme, gekoppelt mit leistungselektronischen Bauelementen, helfen im Haushalt und in Produktionsanlagen Energie zu sparen. Der Einsatz regenerativer Energieerzeuger wäre ohne diese nicht sinnvoll. Neue technische Hilfsmittel in der Medizin ermöglichen komplexere Untersuchungen und neue Therapien. Die minimalinvasive Therapeutik, die von der Kleinheit integrierter Schaltkreise profitiert, erspart dem Patienten Schmerzen und lange Krankenhausaufenthalte. Die Reihe der Aufzählungen ließe sich über die Robotik und Sensornetze beliebig fortsetzen.
Jens Lienig, Manfred Dietrich

2. Möglichkeiten und Herausforderungen moderner 3D-Systeme

Funktionsumfang, Größe und Preis eines Smartphones veranschaulichen die technologische Entwicklung, die in der Mikroelektronik in den vergangenen Jahren stattgefunden hat. Grundlage dafür war vor allem die System-on-Chip (SoC) Technologie, die es erlaubte, immer mehr Funktionen in einer einzelnen integrierten Schaltung zu realisieren. Durch die gleichzeitige Verkleinerung der Prozessstrukturen konnte die Fläche eines Schaltkreises trotz steigender Transistorzahlen konstant gehalten werden. Mit aktuellen Halbleitertechnologien ist das Potenzial der Strukturverkleinerung weitgehend ausgeschöpft. Besonders analoge Schaltungen, die in modernen Systemen zur Ansteuerung von Sensoren und zur Kommunikation mit der Umgebung benötigt werden, lassen sich nicht weiter verkleinern. Deshalb wird neben dem SoC seit einigen Jahren ein alternativer Integrationsansatz entwickelt, der es ermöglicht, mehrere integrierte Schaltkreise (ICs) in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Halbleitertechnologien auf engstem Raum zu einem System zusammenfügen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn ein System sehr unterschiedliche Funktionen erfüllen muss, oder wenn es aufgrund seiner Komplexität nicht mehr wirtschaftlich als IC gefertigt werden kann.
Uwe Knöchel

3. Layoutrepräsentationen im 3D-Entwurf

Eine Layoutrepräsentation ist die rechnerinterne Abbildung eines Layoutproblems anhand abstrakter Datenstrukturen. Dieses Kapitel gibt einen umfassenden Überblick über diese Datenstrukturen im 3D-Kontext.
Robert Fischbach

Modellierung und Simulation

Frontmatter

4. Anforderungen an Modellierung und Simulation von 3D–Systemen

Wenn man heute von 3D-integrierten ICs spricht, meint man normalerweise Stapel von konventionell hergestellten „2D“-Chips, die durch spezielle Verbindungen elektrisch und mechanisch miteinander verbunden und in ein einziges Gehäuse integriert sind. Daher ist es offensichtlich, dass die einzelnen Chips, aus denen die Stapel bestehen, zum großen Teil mit den vorhandenen Entwurfswerkzeugen für konventionelle Chips entworfen werden. Ein anderer Grund für dieses Vorgehen sind die Kosten- und Zeiteinsparungen bei der Einführung der 3D-Integrationstechnologie durch Übernahme von möglichst vielen der etablierten Werkzeuge und Abläufe.
Andreas Wilde

5. 3D-Simulation von Strukturen zur Modellgenerierung

Wie bereits im vorhergehenden Kapitel beschrieben, ergibt sich bei der 3D-Integration durch den geringen Abstand verschiedener Funktionsblöcke eine große Zahl möglicher physikalischer Wechselwirkungen innerhalb des 3D-Systems. Besonders der Einfluss von Integrations-, Packaging- und Verbindungstechnologien auf das Systemverhalten muss möglichst frühzeitig im Entwurfsprozess berücksichtigt werden.
Jörn Stolle, Sven Reitz

6. Thermische Analyse von 3D-Strukturen

Der 3D-Entwurf zielt auf eine Verringerung der räumlichen Ausdehnung von Baugruppen ab. Dies stellt jedoch gleichzeitig eine große Herausforderung an das thermische Management dar. Bauelemente, die durch ihre elektrische Verlustleistung einen Wärmeeintrag liefern, sind kompakter angeordnet. Die Stapelung von Chips mit thermischen Hotspots kann zu einer schlechteren Wärmeableitung führen, was bei der Platzierung der Blöcke auf den einzelnen Ebenen berücksichtigt werden muss. Um Spezifikationsvorgaben unter allen Betriebsbedingungen einhalten zu können, sind geeignete Maßnahmen für eine effektive Wärmeabfuhr bereits während der Designphase zu treffen. Im 3D-Entwurf bieten beispielsweise thermische Vias eine Möglichkeit, die Wärmeleitung gezielt zu beeinflussen. Die thermische Analyse wird somit Bestandteil des Entwurfs und setzt entsprechende Randbedingungen für das Layout und einzufügende Komponenten zur Wärmeabfuhr. Wichtig ist deshalb eine gemeinsame Betrachtung der elektrischen Eigenschaften eines Systems, der geometrischen Anordnung der Komponenten und ihrer thermischen Verkopplung. Dieses Kap. 6 gibt eine Übersicht zu gängigen Verfahren der thermischen Simulation und erläutert die Integration in den Designflow.
Roland Jancke, Christian Bayer

7. XML-basierte Sprache für die hierarchische und parametrisierbare Beschreibung von 3D-Systemen

Die Beschreibung und der Austausch von Geometrie- und Materialdaten nehmen im 3D-Entwurf eine wichtige Rolle ein. Ein Problem dabei stellen fehlende Datenformate zur einheitlichen Definition und Speicherung der Entwurfsdaten dar. Deshalb wird in diesem Beitrag ein Beschreibungsformat für den Entwurf dreidimensionaler integrierter elektronischer Systeme vorgestellt, welches verschiedene Hierarchieebenen des Entwurfs unterstützen soll, so dass sowohl Grundelemente von 3D-Systemen (z. B. Balls, Through-Silicon Vias, Siliziumkörper), als auch Teilbaugruppen (z. B. Bare Dies oder Gehäuse) und schließlich auch komplette 3D-Systeme beschrieben werden können. Außerdem kann das Format den Datenaustausch zwischen Arbeitsschritten wie Floorplanning, Package Design sowie elektrischer und thermischer Simulation vereinfachen. Der Fokus liegt dabei auf einer einheitlichen, effizienten und hierarchischen Beschreibungsform für 3D-Systeme.
Susann Wolf, Andy Heinig, Uwe Knöchel

Layoutentwurf

Frontmatter

8. Herausforderungen bei der Automatisierung des Layoutentwurfs von 3D-Systemen

Der Layoutentwurf realisiert die Transformation einer Schaltungsbeschreibung (Schematic oder Netzliste) in eine Layoutdarstellung. Dazu werden für jedes Schaltungselement das geometrische Abbild erstellt und die räumliche Anordnung (Platzierung) sowie die elektrischen Verbindungsstrukturen (Verdrahtung) zwischen diesen Elementen ermittelt. Bei integrierten Schaltungen erfolgt nach Prüfung der entstandenen Strukturen (Layoutverifikation) das ebenenweise Übertragen auf Masken zu deren Herstellung in einer Waferfab.
Jens Lienig

9. Nutzung von klassischen IP-Blöcken in 3D-Schaltkreisen

Dreidimensional integrierte Schaltkreise (3D-ICs) versprechen eine signifikante Steigerung der Funktionalität durch hohe Integrationsdichten, reduzierte Formfaktoren, sowie heterogene Integration. Bisher jedoch bleibt die kommerzielle Anwendung von 3D-ICs deutlich hinter den Erwartungen zurück. Neben verschiedenen technologischen Problemen wird vor allem die Schwierigkeit der Wiederverwendung bewährter 2D-Intellectual-Property (IP)-Blöcke als Hindernis genannt. Deren optimiertes Layout behindert den Einsatz der obligatorischen Verbindungsstrukturen, den Through-Silicon Vias (TSVs). Jedoch ist die Verwendung von 2D-IP-Blöcken für einen stark heterogenen 3D-IC mit verschiedenen Herstellungstechnologien für Analog-, Digital- oder Speicherkomponenten zwingend erforderlich.
Johann Knechtel

10. Verdrahtungsvorhersage im dreidimensionalen Layoutentwurf

Der Layoutentwurf elektronischer Schaltungen erfolgt in einer Kette einzelner Entwurfsschritte (Abb. 10.1). Die sonst unüberschaubar komplexe Entwurfsaufgabe lässt sich so nach dem Prinzip „teile und herrsche“ bewältigen. Einer der letzten Teilschritte der Layoutsynthese ist die Verdrahtung und damit das Festlegen zahlreicher elektrischer Eigenschaften der Schaltung. Bestmögliche Ergebnisse werden dabei nur erreicht, wenn bereits die Zwischenergebnisse der vorangegangenen Syntheseschritte bezüglich ihrer Verdrahtbarkeit (engl. routability) bewertet und optimiert sind. Dementsprechend ist das Abschätzen der Verdrahtbarkeit fester Bestandteil der Syntheseschritte.
Tilo Meister

11. Thermische Herausforderungen und ihre Berücksichtigung beim 3D-Entwurf

Die Leistungsparameter moderner elektronischer Systeme mit hoher Integrationsdichte werden wesentlich durch die im Betrieb entstehende Verlustleistung und die damit verbundenen Temperaturen begrenzt. Dementsprechend ist das Entstehen und Abführen von Verlustwärme bereits im Entwurf solcher Systeme auf allen Systemebenen zu berücksichtigen, d. h. sowohl beim Bauelemente-, Baugruppen- als auch Geräteentwurf. Dazu sind einerseits die zu erwartenden Temperaturen mit thermischen Modellen vorauszuberechnen, als auch andererseits optimale Anordnungen und Strukturen für den effektiven Wärmetransport auf allen Systemebenen zu entwickeln und in den Entwurf einzubeziehen. Dabei ist die Temperaturfeldberechnung die Lösung eines direkten Problems. Dagegen stellt der Entwurf von Anordnungen, die bestimmte thermische Randbedingungen einhalten, also z. B. bestimmte Grenztemperaturen nicht überschreiten, die wesentlich schwierigere Lösung inverser, im allgemeinen schlecht gestellter Probleme dar. Die zuletzt genannte Aufgabe lässt sich mit vertretbarem Aufwand in der Regel nur heuristisch lösen.
Holger Neubert

Backmatter

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