如今，我們的生活時時刻刻離不開芯片。芯片產(chǎn)業(yè)作為數(shù)字經(jīng)濟中的“硬科技”，是整個信息社會的基石和心臟，也是推動整個信息社會向前發(fā)展的發(fā)動機。當前各行各業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)升級、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，5G、人工智能、邊緣計算等新一代信息技術(shù)的集成應用為芯片產(chǎn)業(yè)帶來了更廣闊的前景。同時，隨著電子產(chǎn)品向高集成、高性能及多功能的演進，對芯片的要求亦日趨嚴格。

隨著芯片制造工藝逐漸逼近物理極限，允許不同模塊采用多樣化的制程工藝與材質(zhì)的先進封裝技術(shù)，可以實現(xiàn)芯片的并排或疊加封裝。通過獨立設計、分散制造，基于先進封裝技術(shù)的3DIC和chiplet已成為延續(xù)摩爾定律的重要路徑之一，在已完成的半導體芯片基礎上可以融入更多芯片，從而打造出性能更優(yōu)越的半導體產(chǎn)品。

先進封裝3D圖

將不同的芯片通過2.5D/3D封裝技術(shù)整合在一起，有效提升了芯片的集成度，但也帶來了如何解決堆疊技術(shù)下芯片的信號完整性、散熱、應力等問題。一個封裝系統(tǒng)可能同時面臨著電、熱、電熱、電熱應力以及電熱磁等多種物理場耦合挑戰(zhàn)。同時，信號速率和芯片散熱要求不斷提高，封裝結(jié)構(gòu)也變得越來越復雜，從而增加了翹曲、分層、開裂等失效問題的概率。因此，僅依靠工程師的經(jīng)驗和感覺已不能滿足先進封裝的設計需求，更需要EDA仿真工具提供準確可靠的技術(shù)支撐。

溫度分布

一款高效、可靠、準確的EDA多物理場仿真工具可以大大縮短用戶的先進封裝模組設計驗證周期，提高用戶設計的可靠性和準確性。

多物理場仿真平臺PhySim

我們將以手機為例，詳細介紹多物理場仿真工具在先進封裝領(lǐng)域的作用與必要性。

(一)封裝信號完整性

手機芯片的封裝設計內(nèi)部信號互聯(lián)與電源供電網(wǎng)絡體系復雜，通道在信號傳輸過程中展現(xiàn)出特定的電磁特性，可能存在一定的損耗、反射和串擾等問題。因此，為確保其高速通道的性能，工程師需借助三維電磁仿真工具進行深入評估。與低頻信號通道相較，高速通道在設計上呈現(xiàn)出更為緊湊的布線空間、高密度的走線布局以及更為精細的結(jié)構(gòu)設計，同時亦面臨著更為復雜的電磁環(huán)境挑戰(zhàn)。

ACEM信號完整性仿真模型及多種后處理顯示模式

裕興木蘭自主研發(fā)的三維電磁仿真軟件ACEM能夠準確模擬信號在封裝結(jié)構(gòu)中的傳播過程，包括信號的反射、折射和衰減等，以此來衡量信號通道設計質(zhì)量。用戶可以借助這款軟件來評判自己的設計是否能夠達到信道要求，提前發(fā)現(xiàn)潛在的信號問題，并進行針對性的優(yōu)化設計，從而確保信號在封裝結(jié)構(gòu)中的完整性和穩(wěn)定性。

(二)散熱

隨著手機功能性需求的日漸增強，需要在盡可能小的空間內(nèi)擠入更多晶體管，并使用封裝技術(shù)保證芯片的可靠性正變得越來越難。由于先進封裝的載流需求日漸變大，局部電流密度過大、溫升過高等情況對手機設備的穩(wěn)定性、可靠性和功能性影響頗大。芯片封裝集成度的提升為產(chǎn)品散熱設計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。鑒于散熱性能在半導體封裝中的重要作用，在設計初期運用電熱仿真軟件，可以快速、高效、低成本的分析芯片正?；驑O限運作狀態(tài)下的電、熱特性，從而進一步優(yōu)化芯片先進封裝的設計，提高其散熱性能，減少熱點問題。

超溫現(xiàn)象

多物理場仿真平臺Physim ML中的電熱協(xié)同仿真軟件PhysimET支持封裝級直流電熱仿真，綜合考慮較大的載流所導致的焦耳熱和元器件自發(fā)熱的相互影響，能夠全面考慮電與熱之間的耦合效應，精確定位電流熱點和壓降不合理點，以便及時規(guī)避、優(yōu)化，并評估設計的載流能力等，從而有效降低前期的設計成本和后期的維護成本。

裕興木蘭電熱聯(lián)合仿真軟件PhySim ET

ET的封裝案例溫度分布

ET封裝案例電壓分布

(三)應力

手機信號傳輸?shù)乃俾市枨笳谝泽@人的速度提升，為了保持設備的穩(wěn)定運行，芯片產(chǎn)生的熱量需要被有效管理，這就對芯片封裝結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。

Chiplet 作為一種硅片級別的模塊重用技術(shù)，為實現(xiàn)這一要求提供了解決方案，但是受摩爾定律放緩的限制，這種功能模塊的集成是建立在3D異構(gòu)設計思路基礎上的。3D異構(gòu)設計，將在芯片內(nèi)部構(gòu)建一個十分復雜的結(jié)構(gòu)，這個芯片系統(tǒng)將呈現(xiàn)更高的溫度分布和更多的局部熱點。

受當前設計趨勢的影響，Chiplet意味著內(nèi)部更復雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)導熱體、更小的散熱空間以及更短的電路傳輸路徑。Chiplet芯片中的內(nèi)部溫度分布差別較大，這種異構(gòu)集成和3D設計帶來的溫度分布差別，將形成Chiplet芯片的高熱應力和較大的熱應變，在工作循環(huán)過程中可能造成諸多問題，例如運行降頻、材料開裂、焊點脫落等，對芯片運行的可靠性帶來巨大的風險。

Chiplet芯片各個位置的溫度不均勻性

為了應對這一挑戰(zhàn)，裕興木蘭推出了Physim ETS仿真軟件，充分考慮了熱或電熱應力對電子系統(tǒng)局部設計可靠性的影響。它能夠?qū)π酒谶\行過程中可能出現(xiàn)的翹曲問題進行精確模擬和預測，同時也能夠分析焊球在高溫環(huán)境下的內(nèi)應力分布情況。通過這些綜合的分析和模擬，Physim ETS能夠為工程師提供寶貴的數(shù)據(jù)支持，從而協(xié)助打造出既穩(wěn)定可靠又高效能的先進封裝結(jié)構(gòu)。

溫度分布

電熱力耦合仿真過程中的計算結(jié)果

(四)熱電路抽取仿真

在解決先進封裝技術(shù)中快速熱仿真所面臨的挑戰(zhàn)方面，裕興木蘭公司憑借其全球首創(chuàng)的熱電路模型抽取仿真技術(shù)，成功克服了手機等電子設備在先進封裝熱仿真中所遭遇的多個行業(yè)難題。這些難題主要包括多源異構(gòu)熱瞬態(tài)的復雜性、熱源眾多、瞬態(tài)時間冗長、跨尺度計算精度不足以及信息敏感性高等問題。

TurboT-BCA作為一款熱電路模型抽取仿真工具，旨在為用戶提供高效且精確的復雜模型熱仿真解決方案。它適配各種封裝，特別適用于先進封裝熱電路的快速高效聯(lián)合仿真，從而有效應對多源異構(gòu)熱瞬態(tài)復雜問題。在使用過程中，用戶可輕松設置熱源和瞬態(tài)模擬時間，實現(xiàn)仿真效率的大幅提升。TurboT-BCA仿真時間比有限元快2個數(shù)量級，其求解速度相較于傳統(tǒng)熱仿真工具提升千倍，有效解決了熱源眾多、瞬態(tài)時間長的挑戰(zhàn)。

此外，該工具采用無差別網(wǎng)格剖分和跨尺度計算方法，確保瞬態(tài)溫度計算的高精度，且無需披露任何細節(jié)，有效避免了信息敏感問題。通過這一創(chuàng)新技術(shù)的應用，裕興木蘭公司顯著提升了熱仿真的準確性和效率，為先進封裝的設計和優(yōu)化提供了強有力的技術(shù)支持。

熱電路提取

結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，全球電子產(chǎn)品漸漸走向多功能整合及低功耗設計，以先進封裝技術(shù)為基礎的3D IC和Chiplet可實現(xiàn)芯片性能進一步提升，而高度集成帶來了堆疊技術(shù)下芯片的信號完整性、散熱等問題。裕興木蘭通用仿真軟件和解決方案平臺，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、電、磁、熱、力、流綜合物理場仿真的全面覆蓋，以真正的多物理場耦合，提供面向先進封裝設計實現(xiàn)的一體化解決方案，可以對電子器件的性能進行預測，能夠幫助用戶快速定位問題，預測潛在的設計隱患，進而優(yōu)化產(chǎn)品設計，降低設計成本，縮短開發(fā)周期，提高電子產(chǎn)品的市場競爭力。