如今，我們的生活時時刻刻離不開芯片。芯片產業作為數字經濟中的“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展的發動機。當前各行各業正在加快產業升級、數字化轉型，5G、人工智能、邊緣計算等新一代信息技術的集成應用為芯片產業帶來了更廣闊的前景。同時，隨著電子產品向高集成、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的先進封裝技術，可以實現芯片的并排或疊加封裝。通過獨立設計、分散制造，基于先進封裝技術的3DIC和chiplet已成為延續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越的半導體產品。

先進封裝3D圖

將不同的芯片通過2.5D/3D封裝技術整合在一起，有效提升了芯片的集成度，但也帶來了如何解決堆疊技術下芯片的信號完整性、散熱、應力等問題。一個封裝系統可能同時面臨著電、熱、電熱、電熱應力以及電熱磁等多種物理場耦合挑戰。同時，信號速率和芯片散熱要求不斷提高，封裝結構也變得越來越復雜，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部信號互聯與電源供電網絡體系復雜，通道在信號傳輸過程中展現出特定的電磁特性，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構設計，同時亦面臨著更為復雜的電磁環境挑戰。

ACEM信號完整性仿真模型及多種后處理顯示模式

裕興木蘭自主研發的三維電磁仿真軟件ACEM能夠準確模擬信號在封裝結構中的傳播過程，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，提前發現潛在的信號問題，并進行針對性的優化設計，從而確保信號在封裝結構中的完整性和穩定性。

(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擠入更多晶體管，并使用封裝技術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品散熱設計帶來了前所未有的挑戰。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常或極限運作狀態下的電、熱特性，從而進一步優化芯片先進封裝的設計，提高其散熱性能，減少熱點問題。

超溫現象

多物理場仿真平臺Physim ML中的電熱協同仿真軟件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，以便及時規避、優化，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

手機信號傳輸的速率需求正在以驚人的速度提升，為了保持設備的穩定運行，芯片產生的熱量需要被有效管理，這就對芯片封裝結構提出了更高的要求。

Chiplet 作為一種硅片級別的模塊重用技術，為實現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異構設計思路基礎上的。3D異構設計，將在芯片內部構建一個十分復雜的結構，這個芯片系統將呈現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意味著內部更復雜的異質結構導熱體、更小的散熱空間以及更短的電路傳輸路徑。Chiplet芯片中的內部溫度分布差別較大，這種異構集成和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，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局部設計可靠性的影響。它能夠對芯片在運行過程中可能出現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境下的內應力分布情況。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據支持，從而協助打造出既穩定可靠又高效能的先進封裝結構。

溫度分布

電熱力耦合仿真過程中的計算結果

(四)熱電路抽取仿真

在解決先進封裝技術中快速熱仿真所面臨的挑戰方面，裕興木蘭公司憑借其全球首創的熱電路模型抽取仿真技術，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難題。這些難題主要包括多源異構熱瞬態的復雜性、熱源眾多、瞬態時間冗長、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合仿真，從而有效應對多源異構熱瞬態復雜問題。在使用過程中，用戶可輕松設置熱源和瞬態模擬時間，實現仿真效率的大幅提升。TurboT-BCA仿真時間比有限元快2個數量級，其求解速度相較于傳統熱仿真工具提升千倍，有效解決了熱源眾多、瞬態時間長的挑戰。

此外，該工具采用無差別網格剖分和跨尺度計算方法，確保瞬態溫度計算的高精度，且無需披露任何細節，有效避免了信息敏感問題。通過這一創新技術的應用，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化提供了強有力的技術支持。

熱電路提取

結語

隨著科技的發展，全球電子產品漸漸走向多功能整合及低功耗設計，以先進封裝技術為基礎的3D IC和Chiplet可實現芯片性能進一步提升，而高度集成帶來了堆疊技術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，實現結構、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，進而優化產品設計，降低設計成本，縮短開發周期，提高電子產品的市場競爭力。