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]。
什么是Chiplet？
Chiplet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。
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。
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
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。
图1：2.5D Chiplet集成*
Chiplet热仿真案例研究
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。
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
2.几何结构
图2：Chiplet仿真的几何结构
3.制造过程配置
仿真涉及三个沉积层，每层具有特定配置：
图3：制造过程配置
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：
图4：物理场设置
仿真结果
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。
图5：热分布结果
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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]。
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.
[2] 逍遥科技, "MEMS Studio——Chiplet案例," Available: https://www.bilibili.com/video/BV1kyyLYPE1e/
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