PhySim:多物理场仿真赋能先进封装高效开发与精确验证

如今，我们的生活时时刻刻离不开芯片。芯片产业作为数字经济中的“硬科技”，是整个信息社会的基石和心脏，也是推动整个信息社会向前发展的发动机。当前各行各业正在加快产业升级、数字化转型，5G、人工智能、边缘计算等新一代信息技术的集成应用为芯片产业带来了更广阔的前景。同时，随着电子产品向高集成、高性能及多功能的演进，对芯片的要求亦日趋严格。

随着芯片制造工艺逐渐逼近物理极限，允许不同模块采用多样化的制程工艺与材质的先进封装技术，可以实现芯片的并排或叠加封装。通过独立设计、分散制造，基于先进封装技术的3DIC和Chiplet已成为延续摩尔定律的重要路径之一，在已完成的半导体芯片基础上可以融入更多芯片，从而打造出性能更优越的半导体产品。

将不同的芯片通过2.5D/3D封装技术整合在一起，有效提升了芯片的集成度，但也带来了如何解决堆叠技术下芯片的信号完整性、散热、应力等问题。一个封装系统可能同时面临着电、热、电热、电热应力以及电热磁等多种物理场耦合挑战。同时，信号速率和芯片散热要求不断提高，封装结构也变得越来越复杂，从而增加了翘曲、分层、开裂等失效问题的概率。因此，仅依靠工程师的经验和感觉已不能满足先进封装的设计需求，更需要EDA仿真工具提供准确可靠的技术支撑。

温度分布

一款高效、可靠、准确的EDA多物理场仿真工具可以大大缩短用户的先进封装模组设计验证周期，提高用户设计的可靠性和准确性。

多物理场仿真平台PhySim

我们将以手机为例，详细介绍多物理场仿真工具在先进封装领域的作用与必要性。

(一)封装信号完整性

手机芯片的封装设计内部信号互联与电源供电网络体系复杂，通道在信号传输过程中展现出特定的电磁特性，可能存在一定的损耗、反射和串扰等问题。因此，为确保其高速通道的性能，工程师需借助三维电磁仿真工具进行深入评估。与低频信号通道相较，高速通道在设计上呈现出更为紧凑的布线空间、高密度的走线布局以及更为精细的结构设计，同时亦面临着更为复杂的电磁环境挑战。

ACEM信号完整性仿真模型及多种后处理显示模式

裕兴木兰自主研发的三维电磁仿真软件ACEM能够准确模拟信号在封装结构中的传播过程，包括信号的反射、折射和衰减等，以此来衡量信号通道设计质量。用户可以借助这款软件来评判自己的设计是否能够达到信道要求，提前发现潜在的信号问题，并进行针对性的优化设计，从而确保信号在封装结构中的完整性和稳定性。

(二)散热

随着手机功能性需求的日渐增强，需要在尽可能小的空间内挤入更多晶体管，并使用封装技术保证芯片的可靠性正变得越来越难。由于先进封装的载流需求日渐变大，局部电流密度过大、温升过高等情况对手机设备的稳定性、可靠性和功能性影响颇大。芯片封装集成度的提升为产品散热设计带来了前所未有的挑战。鉴于散热性能在半导体封装中的重要作用，在设计初期运用电热仿真软件，可以快速、高效、低成本的分析芯片正常或极限运作状态下的电、热特性，从而进一步优化芯片先进封装的设计，提高其散热性能，减少热点问题。

多物理场仿真平台Physim ML中的电热协同仿真软件PhysimET支持封装级直流电热仿真，综合考虑较大的载流所导致的焦耳热和元器件自发热的相互影响，能够全面考虑电与热之间的耦合效应，精确定位电流热点和压降不合理点，以便及时规避、优化，并评估设计的载流能力等，从而有效降低前期的设计成本和后期的维护成本。

裕兴木兰电热联合仿真软件PhySim ET

ET的封装案例温度分布

ET封装案例电压分布

(三)应力

手机信号传输的速率需求正在以惊人的速度提升，为了保持设备的稳定运行，芯片产生的热量需要被有效管理，这就对芯片封装结构提出了更高的要求。

Chiplet 作为一种硅片级别的模块重用技术，为实现这一要求提供了解决方案，但是受摩尔定律放缓的限制，这种功能模块的集成是建立在3D异构设计思路基础上的。3D异构设计，将在芯片内部构建一个十分复杂的结构，这个芯片系统将呈现更高的温度分布和更多的局部热点。

受当前设计趋势的影响，Chiplet意味着内部更复杂的异质结构导热体、更小的散热空间以及更短的电路传输路径。Chiplet芯片中的内部温度分布差别较大，这种异构集成和3D设计带来的温度分布差别，将形成Chiplet芯片的高热应力和较大的热应变，在工作循环过程中可能造成诸多问题，例如运行降频、材料开裂、焊点脱落等，对芯片运行的可靠性带来巨大的风险。

Chiplet芯片各个位置的温度不均匀性

为了应对这一挑战，裕兴木兰推出了Physim ETS仿真软件，充分考虑了热或电热应力对电子系统局部设计可靠性的影响。它能够对芯片在运行过程中可能出现的翘曲问题进行精确模拟和预测，同时也能够分析焊球在高温环境下的内应力分布情况。通过这些综合的分析和模拟，Physim ETS能够为工程师提供宝贵的数据支持，从而协助打造出既稳定可靠又高效能的先进封装结构。

温度分布

电热力耦合仿真过程中的计算结果

(四)热电路抽取仿真

在解决先进封装技术中快速热仿真所面临的挑战方面，裕兴木兰公司凭借其全球首创的热电路模型抽取仿真技术，成功克服了手机等电子设备在先进封装热仿真中所遭遇的多个行业难题。这些难题主要包括多源异构热瞬态的复杂性、热源众多、瞬态时间冗长、跨尺度计算精度不足以及信息敏感性高等问题。

TurboT-BCA作为一款热电路模型抽取仿真工具，旨在为用户提供高效且精确的复杂模型热仿真解决方案。它适配各种封装，特别适用于先进封装热电路的快速高效联合仿真，从而有效应对多源异构热瞬态复杂问题。在使用过程中，用户可轻松设置热源和瞬态模拟时间，实现仿真效率的大幅提升。TurboT-BCA仿真时间比有限元快2个数量级，其求解速度相较于传统热仿真工具提升千倍，有效解决了热源众多、瞬态时间长的挑战。

此外，该工具采用无差别网格剖分和跨尺度计算方法，确保瞬态温度计算的高精度，且无需披露任何细节，有效避免了信息敏感问题。通过这一创新技术的应用，裕兴木兰公司显著提升了热仿真的准确性和效率，为先进封装的设计和优化提供了强有力的技术支持。

热电路提取

结语

随着科技的发展，全球电子产品渐渐走向多功能整合及低功耗设计，以先进封装技术为基础的3D IC和Chiplet可实现芯片性能进一步提升，而高度集成带来了堆叠技术下芯片的信号完整性、散热等问题。裕兴木兰通用仿真软件和解决方案平台，实现结构、电、磁、热、力、流综合物理场仿真的全面覆盖，以真正的多物理场耦合，提供面向先进封装设计实现的一体化解决方案，可以对电子器件的性能进行预测，能够帮助用户快速定位问题，预测潜在的设计隐患，进而优化产品设计，降低设计成本，缩短开发周期，提高电子产品的市场竞争力。