打通 3D IC 設計任督二脈：從架構探索到最終簽核的加速實踐

Chiplet 與異質整合正在改變半導體設計。透過高效能中介層與先進封裝，設計團隊可將不同製程、不同供應商的運算、記憶體、I／O 與加速器 IP，整合為複雜的系統級封裝。相較於大型單晶粒設計，這種方法有助於提升效能與能源效率，也能改善擴充彈性、IP 重複使用與整體成本。

然而，既有 EDA 工具與流程多半針對單晶粒元件開發，難以完整處理 2.5D／3D IC 涉及的跨晶粒連接、功耗、散熱、機械應力、可靠度與測試問題。產業需要的已不只是實體設計工具，而是一套從架構探索、設計實作、多物理場驗證，一路延伸至測試與最終簽核的系統導向方法。

超越實體設計：建立統一的 3D IC 開發環境

成功的 3D IC 專案涉及系統架構師、晶片設計、封裝、驗證、可靠度與測試等不同團隊。若各團隊分別使用不同模型、資料格式與分析工具，設計變更便難以同步，也容易在整合後期才發現介面或可靠度問題。

西門子的 Innovator3D IC 以完整的 3D 數位分身為基礎，從 Explore、Design、Analysis、Reliability 與 Test 五個領域整合於同一設計環境。團隊可在共同的系統模型上比較架構方案、完成設計實作、執行多物理場分析、評估可靠度，並規劃測試與製造簽核。這也是系統技術協同最佳化（STCO）的基礎，讓團隊能跨越晶粒、中介層、封裝基板與系統 PCB，同步考量功耗、效能、面積、成本、品質與可靠度。

圖1 : Innovator3D IC 整合 Explore、Design、Analysis、Reliability 與 Test 五大領域

建立共同的 3D 數位分身

3D 數位分身首先彙整晶粒、Chiplet、橋接晶片、中介層、封裝基板與 PCB 等設計 IP，建立涵蓋整個組裝的系統模型。該模型可驅動介面與凸塊陣列規劃，並建立系統級網表，作為邏輯等效性檢查、多物理場分析、實體驗證與簽核的共同基礎。

實際挑戰在於，設計資料通常來自不同團隊、工具與供應商，格式、版本與完整程度不一。晶粒與封裝也往往同步開發，因此需要準確的資料匯入、版本控管與設計 IP 管理，確保團隊了解哪些資料已納入目前設計，以及後續更新是否影響既有結果。

IEEE 3Dblox、OCP CDX 與 JEDEC JEP30 等標準，正推動以機器可讀的方式描述 Chiplet 的實體、電氣、散熱與機械資訊，改善跨企業與跨工具的互通性。Innovator3D IC 可支援不同抽象層級的 3Dblox 資料，並將其延伸至後續設計、分析與驗證流程。

台灣半導體產業高度分工，對於此類標準化需求尤為強烈。晶片設計、晶圓製造、封裝測試、材料與系統產品可能由不同企業負責。若設計資料仍依賴人工轉換與靜態檔案交換，版本落差與介面誤解就可能成為新的整合風險。共同的數位分身與資料語言，有助於讓跨企業協作更有效率、更可追溯。

從架構探索到設計實作

進入詳細實作前，團隊須先評估哪一種整合方案最符合功耗、效能、面積、成本、品質、可製造性與測試目標。Innovator3D IC 的 Explore 領域支援早期規劃、可行性分析與 AI 輔助設計空間探索，可比較 Chiplet 分割、封裝技術、平面配置、繞線資源、電源配送、散熱、訊號完整性與測試方案，及早排除不可行選項。

選定架構後，Design 領域再將系統意圖轉化為可製造的多晶粒組裝，支援階層式協同設計、自動化凸塊規劃與系統級連接管理。由於探索與實作使用同一數位分身，前期定義的系統階層、連接關係與設計限制不必重新建立，可持續延伸至後續驗證與簽核。

透過參數化接腳區域，HBM 等重複介面可被定義為標準化設計區塊。當晶粒位置、接腳數量或介面規格改變時，相關凸塊與訊號配置也能快速更新。晶片端的接腳配置與封裝端的凸塊規劃可同步評估，避免過去先完成晶片，再交由封裝團隊處理的線性流程。

面對數十萬甚至數百萬條跨晶粒連接，傳統試算表已難以管理。以 Verilog RTL 與匯流排表示法定義系統連接，不僅較有效率，也可搭配形式驗證，及早發現錯接、漏接或介面不一致。經驗證的系統級網表還可用於建立橋接晶片與中介層，維持晶粒、封裝與 PCB 之間的一致性。

在台灣半導體產業中，西門子持續與晶圓代工及封裝測試生態夥伴推進先進 3D IC 流程。Innovator3D IC 可針對台積公司的 CoWoS、InFO 與 SoIC 技術，建立並管理涵蓋晶粒、中介層與封裝的 3D 數位分身；Calibre 3DSTACK 也已完成對 TSMC 3DFabric 技術與 3Dblox 的支援認證。西門子同時與日月光（ASE）合作，運用 Innovator3D IC 為 ASE VIPack 平台開發並驗證 3Dblox 工作流程，讓架構探索、階層式規劃、封裝設計與驗證建立在一致的系統描述上。

持續分析效能與可靠度

完成架構與初步實作後，團隊仍須持續評估元件擺放、連接、電源配送、散熱與繞線可行性。HBM 需要靠近運算晶粒以縮短高速連接，但過度集中可能形成熱點，或壓縮電源及訊號繞線空間。散熱片、補強結構與熱介面材料也會影響晶粒間距、機械應力與可靠度，因此必須在早期模型中一併考量。

Innovator3D IC 的 Analysis 領域可直接從數位分身執行訊號完整性、電源完整性與 IR Drop 分析。即使部分晶粒或封裝尚未完成，團隊仍可利用中間資料進行預測，提早發現電壓下降、通道劣化與繞線瓶頸。電源配送網路分析也可提前辨識直流壓降、電流密度及金屬資源不足，避免問題延後至詳細實作或簽核階段。

Reliability 領域則將熱與機械驗證整合至同一環境，並透過 Calibre 3DThermal、Calibre 3DStress、Simcenter Flotherm 與 Simcenter Simlab，評估整體組裝的熱效能、翹曲、機械應力、材料交互作用與製造過程所產生的應力。

由於分析與設計使用同一數位分身，晶片、封裝與可靠度團隊能更早比較材料、擺放及散熱方案，並持續驗證每一次設計變更。

圖2 : 整合異質設計與多物理場驗證的統一平台

測試必須提前規劃

異質整合不止於設計與驗證。複雜的多晶粒組裝還須考量製造測試、除錯、修復與長期良率。

Innovator3D IC 的 Test 領域可結合 IEEE 1838 多晶粒測試方法與熱感知測試規劃，避免高切換活動的測試圖樣在製造期間造成過高功耗或熱應力。將可測試性設計、熱分析與驗證連接至同一數位分身，有助於提高故障涵蓋率，並降低良率損失與潛在可靠度風險。

測試策略若能在架構階段就被納入考量，團隊便可提早評估測試存取路徑、功耗限制與熱效應，而不是在設計完成後才發現部分晶粒難以測試或測試條件影響產品可靠度。

台灣的機會：從封裝優勢走向系統工程

AI 與高效能運算正加速 3D IC、Chiplet、扇出型封裝與 CPO 等技術發展。SEMI 指出，全球先進製造產能預計在 2028 年達到每月 140 萬片晶圓；台灣也已成立 3DIC 先進製造聯盟，推動跨領域協作、標準採用與技術商業化。

對台灣半導體產業而言，3D IC 的機會不只在先進封裝產能，更在於能否把 IC 設計、晶圓製造、封裝測試、材料、設備與系統產品串聯為可預測、可驗證的工程流程。

台灣具備完整且高度分工的供應鏈，這同時也提高了資料交換、版本管理與跨企業協作的重要性。透過共同的 3D 數位分身、標準化資料格式與連續的設計流程，產業可將既有製造及封裝優勢，進一步延伸至系統架構與工程決策能力。

真正需要加速的，不是某一項工具，而是從架構選擇到最終簽核的完整生命週期。當設計、分析、可靠度與測試都能圍繞同一數位分身協同運作，企業才能減少迭代、提高可預測性，並更有信心地將下一代異質整合系統推向市場。