多物理場(chǎng)仿真賦能先進(jìn)封裝高效開(kāi)發(fā)與精確驗(yàn)證

如今，我們的生活時(shí)時(shí)刻刻離不開(kāi)芯片。芯片產(chǎn)業(yè)作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)中的“硬科技”，是整個(gè)信息社會(huì)的基石和心臟，也是推動(dòng)整個(gè)信息社會(huì)向前發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)前各行各業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，5G、人工智能、邊緣計(jì)算等新一代信息技術(shù)的集成應(yīng)用為芯片產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了更廣闊的前景。同時(shí)，隨著電子產(chǎn)品向高集成、高性能及多功能的演進(jìn)，對(duì)芯片的要求亦日趨嚴(yán)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(jìn)封裝技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)芯片的并排或疊加封裝。通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)、分散制造，基于先進(jìn)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(dǎo)體芯片基礎(chǔ)上可以融入更多芯片，從而打造出性能更優(yōu)越的半導(dǎo)體產(chǎn)品。

先進(jìn)封裝3D圖

將不同的芯片通過(guò)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(lái)了如何解決堆疊技術(shù)下芯片的信號(hào)完整性、散熱、應(yīng)力等問(wèn)題。一個(gè)封裝系統(tǒng)可能同時(shí)面臨著電、熱、電熱、電熱應(yīng)力以及電熱磁等多種物理場(chǎng)耦合挑戰(zhàn)。同時(shí)，信號(hào)速率和芯片散熱要求不斷提高，封裝結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜，從而增加了翹曲、分層、開(kāi)裂等失效問(wèn)題的概率。因此，僅依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)已不能滿(mǎn)足先進(jìn)封裝的設(shè)計(jì)需求，更需要EDA仿真工具提供準(zhǔn)確可靠的技術(shù)支撐。

溫度分布

一款高效、可靠、準(zhǔn)確的EDA多物理場(chǎng)仿真工具可以大大縮短用戶(hù)的先進(jìn)封裝模組設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期，提高用戶(hù)設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性。

多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)PhySim

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

(一)封裝信號(hào)完整性

手機(jī)芯片的封裝設(shè)計(jì)內(nèi)部信號(hào)互聯(lián)與電源供電網(wǎng)絡(luò)體系復(fù)雜，通道在信號(hào)傳輸過(guò)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?dāng)_等問(wèn)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(jìn)行深入評(píng)估。與低頻信號(hào)通道相較，高速通道在設(shè)計(jì)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(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)亦面臨著更為復(fù)雜的電磁環(huán)境挑戰(zhàn)。

ACEM信號(hào)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(zhǔn)確模擬信號(hào)在封裝結(jié)構(gòu)中的傳播過(guò)程，包括信號(hào)的反射、折射和衰減等，以此來(lái)衡量信號(hào)通道設(shè)計(jì)質(zhì)量。用戶(hù)可以借助這款軟件來(lái)評(píng)判自己的設(shè)計(jì)是否能夠達(dá)到信道要求，提前發(fā)現(xiàn)潛在的信號(hào)問(wèn)題，并進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而確保信號(hào)在封裝結(jié)構(gòu)中的完整性和穩(wěn)定性。

(二)散熱

隨著手機(jī)功能性需求的日漸增強(qiáng)，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(lái)越難。由于先進(jìn)封裝的載流需求日漸變大，局部電流密度過(guò)大、溫升過(guò)高等情況對(duì)手機(jī)設(shè)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(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。鑒于散熱性能在半導(dǎo)體封裝中的重要作用，在設(shè)計(jì)初期運(yùn)用電熱仿真軟件，可以快速、高效、低成本的分析芯片正常或極限運(yùn)作狀態(tài)下的電、熱特性，從而進(jìn)一步優(yōu)化芯片先進(jìn)封裝的設(shè)計(jì)，提高其散熱性能，減少熱點(diǎn)問(wèn)題。

超溫現(xiàn)象

多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)Physim ML中的電熱協(xié)同仿真軟件PhysimET支持封裝級(jí)直流電熱仿真，綜合考慮較大的載流所導(dǎo)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(yīng)，精確定位電流熱點(diǎn)和壓降不合理點(diǎn)，以便及時(shí)規(guī)避、優(yōu)化，并評(píng)估設(shè)計(jì)的載流能力等，從而有效降低前期的設(shè)計(jì)成本和后期的維護(hù)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(yīng)力

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

Chiplet 作為一種硅片級(jí)別的模塊重用技術(shù)，為實(shí)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(shè)計(jì)思路基礎(chǔ)上的。3D異構(gòu)設(shè)計(jì)，將在芯片內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這個(gè)芯片系統(tǒng)將呈現(xiàn)更高的溫度分布和更多的局部熱點(diǎn)。

受當(dāng)前設(shè)計(jì)趨勢(shì)的影響，Chiplet意味著內(nèi)部更復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(shè)計(jì)帶來(lái)的溫度分布差別，將形成Chiplet芯片的高熱應(yīng)力和較大的熱應(yīng)變，在工作循環(huán)過(guò)程中可能造成諸多問(wèn)題，例如運(yùn)行降頻、材料開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落等，對(duì)芯片運(yùn)行的可靠性帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

Chiplet芯片各個(gè)位置的溫度不均勻性

為了應(yīng)對(duì)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(yīng)力對(duì)電子系統(tǒng)局部設(shè)計(jì)可靠性的影響。它能夠?qū)π酒谶\(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的翹曲問(wèn)題進(jìn)行精確模擬和預(yù)測(cè)，同時(shí)也能夠分析焊球在高溫環(huán)境下的內(nèi)應(yīng)力分布情況。通過(guò)這些綜合的分析和模擬，Physim ETS能夠?yàn)楣こ處熖峁氋F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(jìn)封裝結(jié)構(gòu)。

溫度分布

電熱力耦合仿真過(guò)程中的計(jì)算結(jié)果

(四)熱電路抽取仿真

在解決先進(jìn)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(jī)等電子設(shè)備在先進(jìn)封裝熱仿真中所遭遇的多個(gè)行業(yè)難題。這些難題主要包括多源異構(gòu)熱瞬態(tài)的復(fù)雜性、熱源眾多、瞬態(tài)時(shí)間冗長(zhǎng)、跨尺度計(jì)算精度不足以及信息敏感性高等問(wèn)題。

TurboT-BCA作為一款熱電路模型抽取仿真工具，旨在為用戶(hù)提供高效且精確的復(fù)雜模型熱仿真解決方案。它適配各種封裝，特別適用于先進(jìn)封裝熱電路的快速高效聯(lián)合仿真，從而有效應(yīng)對(duì)多源異構(gòu)熱瞬態(tài)復(fù)雜問(wèn)題。在使用過(guò)程中，用戶(hù)可輕松設(shè)置熱源和瞬態(tài)模擬時(shí)間，實(shí)現(xiàn)仿真效率的大幅提升。TurboT-BCA仿真時(shí)間比有限元快2個(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)間長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。

此外，該工具采用無(wú)差別網(wǎng)格剖分和跨尺度計(jì)算方法，確保瞬態(tài)溫度計(jì)算的高精度，且無(wú)需披露任何細(xì)節(jié)，有效避免了信息敏感問(wèn)題。通過(guò)這一創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，裕興木蘭公司顯著提升了熱仿真的準(zhǔn)確性和效率，為先進(jìn)封裝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

熱電路提取

結(jié)語(yǔ)

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(shè)計(jì)，以先進(jìn)封裝技術(shù)為基礎(chǔ)的3D IC和Chiplet可實(shí)現(xiàn)芯片性能進(jìn)一步提升，而高度集成帶來(lái)了堆疊技術(shù)下芯片的信號(hào)完整性、散熱等問(wèn)題。裕興木蘭通用仿真軟件和解決方案平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、電、磁、熱、力、流綜合物理場(chǎng)仿真的全面覆蓋，以真正的多物理場(chǎng)耦合，提供面向先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一體化解決方案，可以對(duì)電子器件的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠幫助用戶(hù)快速定位問(wèn)題，預(yù)測(cè)潛在的設(shè)計(jì)隱患，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高電子產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。