半導(dǎo)體行業(yè)向復(fù)雜的2.5D和3D IC封裝快速發(fā)展，帶來了極嚴(yán)峻的熱管理挑戰(zhàn)，這需要從裸片層級(jí)到系統(tǒng)層級(jí)分析的復(fù)雜解決方案。西門子通過一套集成工具和方法來應(yīng)對這些多方面的挑戰(zhàn)，這些工具和方法結(jié)合了先進(jìn)的熱建模以及包括精確測量能力在內(nèi)的穩(wěn)健驗(yàn)證方法。這種綜合方法使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在設(shè)計(jì)流程的早期識(shí)別和緩解熱問題，同時(shí)優(yōu)化所有集成層級(jí)的熱性能，以確?；谛⌒酒膹?fù)雜多裸片封裝能夠可靠運(yùn)行。

序言：先進(jìn)封裝中的熱挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體行業(yè)向三維集成電路的演進(jìn)代表著熱管理要求的根本轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的2D單芯片IC熱分析主要通過簡單的設(shè)計(jì)規(guī)則和通常簡單的基于模板的模型構(gòu)建解決方案來處理，但已不再適合當(dāng)今復(fù)雜的架構(gòu)。一直以來裸片和封裝是在兩個(gè)不同的開發(fā)流程中使用不同的工具集進(jìn)行設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)代3D配置帶來了一系列新的熱挑戰(zhàn)，這就需要?jiǎng)?chuàng)新的設(shè)計(jì)工作流程，因?yàn)樾⌒酒头庋b設(shè)計(jì)已緊密聯(lián)系在一起。

3D IC中有源裸片的垂直堆疊帶來了極嚴(yán)峻的功率密度挑戰(zhàn)。使用減薄的裸片（通常遠(yuǎn)小于100微米）會(huì)使情況變得更加復(fù)雜，因?yàn)闇p薄的裸片會(huì)顯著降低裸片自身的橫向散熱能力，從而加劇熱點(diǎn)問題。當(dāng)多個(gè)發(fā)熱層緊密相鄰放置時(shí)，通過復(fù)雜材料堆疊的有限散熱路徑會(huì)產(chǎn)生具有挑戰(zhàn)性的熱管理場景，必須仔細(xì)分析和解決。對于堆疊的HBM，來自相鄰緊密放置的發(fā)熱邏輯裸片的橫向熱流會(huì)使問題更加嚴(yán)重。

現(xiàn)代IC封裝中多樣的連接方式引入了額外的熱考量因素。硅通孔(TSV)充當(dāng)層間的熱橋，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的熱分布模式，必須精確建模。微凸塊陣列顯著影響局部熱阻，而混合鍵合界面引入了傳統(tǒng)封裝中不存在的新的熱考量因素?；谥薪閷拥脑O(shè)計(jì)增加了熱路徑的復(fù)雜性，這需要設(shè)計(jì)和分析工具之間的協(xié)作來管理和了解其熱影響并優(yōu)化性能。

隨著層數(shù)的增加，通常會(huì)出現(xiàn)硅和復(fù)合半導(dǎo)體技術(shù)的異質(zhì)混合（具有不同的物理特性），材料和界面考量在先進(jìn)封裝中變得愈發(fā)關(guān)鍵。對于某些材料，必須仔細(xì)考慮不同方向上的各向異性、不均勻熱導(dǎo)率，并且必須考慮材料屬性隨溫度變化的特性以對非線性行為進(jìn)行建模。界面熱阻曾經(jīng)是主要影響封裝邊界，現(xiàn)在已成為封裝結(jié)構(gòu)中決定整體熱性能的關(guān)鍵因素。

圖1. 3D IC散熱的說明性示例。

為了應(yīng)對這些極嚴(yán)峻的熱管理挑戰(zhàn)，西門子的重點(diǎn)已從設(shè)計(jì)特定的一流工具轉(zhuǎn)向創(chuàng)建集成的工作流程，以滿足各種用戶角色的需求：

不具備深厚熱學(xué)專業(yè)知識(shí)的封裝架構(gòu)師和設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在需要能夠在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段早期快速評(píng)估熱影響并識(shí)別潛在的溫度限制因素。將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為熱模型和多物理場模型的過程自動(dòng)化至關(guān)重要，這樣才能使這些非熱學(xué)專家無需依賴領(lǐng)域?qū)＜揖湍苓M(jìn)行可行性研究。此外，這些大型3D設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使得即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的CFD工程師也很難從頭開始構(gòu)建精確的熱模型，這進(jìn)一步提高了自動(dòng)化的價(jià)值。

西門子的解決方案包括Calibre 3DThermal軟件、Innovator3D IC解決方案和Simcenter Flotherm軟件，通過提供自動(dòng)化工作流程來彌合電氣/封裝設(shè)計(jì)與熱分析之間的差距，從而應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)在Innovator3D IC中以單一數(shù)據(jù)源形式進(jìn)行裝配和管理，并可在設(shè)計(jì)周期（從早期架構(gòu)規(guī)劃到最終sign-off）中導(dǎo)出至Calibre 3DThermal進(jìn)行熱分析。該工具為電氣設(shè)計(jì)師提供預(yù)期半導(dǎo)體結(jié)溫的快速精準(zhǔn)反饋，以幫助其確保設(shè)計(jì)仍具有熱可行性，且無需脫離其慣用的設(shè)計(jì)環(huán)境。為了滿足熱分析師這一用戶角色的需求，這些熱模型可以導(dǎo)出到Simcenter Flotherm，在其中可以為封裝級(jí)熱模型添加PCB、散熱器、熱管和風(fēng)扇等系統(tǒng)層級(jí)特性，以實(shí)現(xiàn)全面的系統(tǒng)層級(jí)熱分析和優(yōu)化。這使得封裝架構(gòu)師、設(shè)計(jì)工程師和熱學(xué)專家能夠更有效地協(xié)作，盡早發(fā)現(xiàn)和緩解熱問題，并在所有集成層級(jí)優(yōu)化性能和冷卻解決方案成本。其目標(biāo)是將熱學(xué)考量作為設(shè)計(jì)流程的組成部分，而非單獨(dú)的關(guān)注點(diǎn)，以確保復(fù)雜的多裸片封裝的可靠運(yùn)行。

Calibre 3DThermal：

先進(jìn)的硅層級(jí)熱建模

西門子已經(jīng)開發(fā)出一套全面的解決方案，通過多種綜合方法解決這些熱挑戰(zhàn)。在裸片層級(jí)，該解決方案始于復(fù)雜的物理數(shù)據(jù)庫處理。Calibre 3DThermal是一款基于Calibre和Simcenter Flotherm等核心技術(shù)構(gòu)建的新型工具，可以對LEF/DEF、GDS和OASIS文件進(jìn)行先進(jìn)解析，以提取詳細(xì)的裸片層級(jí)幾何形狀，從而實(shí)現(xiàn)精確的熱屬性映射和詳細(xì)的半導(dǎo)體層級(jí)熱模型創(chuàng)建。該過程包括智能層堆疊分析和熱點(diǎn)建模，同時(shí)納入對精確建模至關(guān)重要的特定工藝熱特性。該解決方案包括用于BEOL層建模的先進(jìn)功能，可創(chuàng)建有效的熱導(dǎo)率模型，準(zhǔn)確表示復(fù)雜的局部金屬和電介質(zhì)結(jié)構(gòu)?？紤]到金屬密度和分布模式，每個(gè)層的熱屬性都是單獨(dú)計(jì)算的。該系統(tǒng)整合過孔模式和密度效應(yīng)，以創(chuàng)建一個(gè)能反映實(shí)際行為的綜合熱模型，利用諸如材料映射（有效材料屬性提?。┑扰cSimcenter Flotherm等系統(tǒng)層級(jí)工具兼容的技術(shù)。結(jié)合mPower，功率分析和映射功能可以提供有關(guān)熱負(fù)載的詳細(xì)見解。該系統(tǒng)從電路仿真數(shù)據(jù)生成綜合功率圖，納入開關(guān)活動(dòng)信息以創(chuàng)建準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)功率分布。此分析包括統(tǒng)計(jì)功率分布考量，使設(shè)計(jì)人員能夠了解平均和峰值熱狀況。與Solido軟件配合使用時(shí)，Calibre 3DThermal可提供溫度信息，提高仿真及混合信號(hào)IC設(shè)計(jì)的SPICE仿真預(yù)測精度。3D IC設(shè)計(jì)具有極高的電流密度（達(dá)數(shù)百安培級(jí)別），因此該解決方案還提供先進(jìn)焦耳熱分析功能。高分辨率電流密度映射與溫度相關(guān)電阻計(jì)算相結(jié)合，提供準(zhǔn)確的自熱效應(yīng)分析。該信息與配電網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合，以呈現(xiàn)熱負(fù)載的整體情況。該系統(tǒng)的電熱仿真功能對于仿真電路尤其有價(jià)值，因?yàn)闇囟刃?yīng)會(huì)顯著影響其性能。該解決方案提供的耦合電熱分析結(jié)合了溫度相關(guān)的器件模型，并考慮了熱反饋回路。穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析功能可確保對熱場景進(jìn)行全面覆蓋，方法是導(dǎo)出包括局部器件溫度的反標(biāo)SPICE網(wǎng)表，然后可供像Solido這樣的SPICE仿真器使用。為了支持對復(fù)雜的2.5D、3D結(jié)構(gòu)及其封裝特征進(jìn)行建模，需要詳細(xì)的設(shè)計(jì)幾何形狀，而不只是簡單的裸片表示。Calibre 3DThermal通過將3D堆疊定義與精確的設(shè)計(jì)幾何形狀相結(jié)合來創(chuàng)建高精確度3D IC模型，以解決整個(gè)結(jié)構(gòu)中不均勻的材料屬性。此功能在分析封裝邊界及外部（如外部冷卻組件的模型）的熱路徑時(shí)尤為關(guān)鍵。

圖2. 使用詳細(xì)設(shè)計(jì)幾何形狀的高精確度芯片模型。

早期熱可行性分析是Calibre 3DThermal解決方案的另一個(gè)重要功能。該系統(tǒng)使設(shè)計(jì)人員能夠從設(shè)計(jì)的最早階段進(jìn)行熱評(píng)估，從而使他們能夠在潛在的熱問題變成代價(jià)高昂的問題之前發(fā)現(xiàn)并解決它們。這種早期分析能力支持迭代設(shè)計(jì)方法，其中熱考量可以為整個(gè)開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)決策以及電路板層級(jí)和系統(tǒng)層級(jí)的冷卻解決方案選擇提供信息和指導(dǎo)。

綜合設(shè)計(jì)流程集成

西門子熱管理解決方案的集成能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基本的工具兼容性。這種集成的核心是各種設(shè)計(jì)工具之間的無縫工作流程，特別是Calibre 3DThermal和Innovator3D IC之間用于封裝層級(jí)架構(gòu)和裝配的復(fù)雜交互。這種集成使設(shè)計(jì)師能夠在從初始概念到最終驗(yàn)證的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中保持一致性和精度。

圖3. 西門子集成的3D IC設(shè)計(jì)和熱分析流程。

這種集成方法的核心是管理封裝堆疊中所有結(jié)構(gòu)組件的數(shù)字孿生。Innovator3D IC不僅是設(shè)計(jì)從裸片到環(huán)境的連接系統(tǒng)的理想工具，還保留了設(shè)計(jì)中每個(gè)物理元素的全面數(shù)字表示，確保熱模型準(zhǔn)確反映正在開發(fā)的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)。這種數(shù)字孿生方法可以作為封裝結(jié)構(gòu)元素的單一數(shù)據(jù)源，自動(dòng)創(chuàng)建模型并降低熱分析中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性，從而使非熱學(xué)專家更容易進(jìn)行高精確度分析。

圖4. Innovator3D IC中的先進(jìn)封裝布局和連接關(guān)系。

該解決方案對不斷提高精確度的多次設(shè)計(jì)迭代的支持在現(xiàn)代IC封裝開發(fā)中尤為重要?？梢允褂煤喕Ｐ瓦M(jìn)行初步分析，以快速評(píng)估早期的布局規(guī)劃想法，而后續(xù)的迭代可以在有可用信息時(shí)不斷納入更詳細(xì)的信息。這種持續(xù)漸進(jìn)的改進(jìn)方法使設(shè)計(jì)人員能夠保持高效的工作流程（與實(shí)際設(shè)計(jì)流程一致），同時(shí)確保最終分析在設(shè)計(jì)最終流片前包含所有必要細(xì)節(jié)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確熱預(yù)測。該系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)IC設(shè)計(jì)和布局布線工具的集成確保最終熱模型不僅涵蓋裸片細(xì)節(jié)，還能精確表征中介層和基板。此集成支持3DSTACK+格式和3Dblox設(shè)計(jì)，可與多種設(shè)計(jì)方法和工具兼容。由此形成一體化設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶可為設(shè)計(jì)添加材料數(shù)據(jù)、功耗及邊界條件等熱屬性。此類信息與設(shè)計(jì)的幾何形狀及位置數(shù)據(jù)均可一鍵傳輸至Calibre 30Thermal進(jìn)行自動(dòng)化熱仿真。熱分析借由此方法成為設(shè)計(jì)流程的有機(jī)組成部分，而非單獨(dú)的考慮因素。

圖5. 對圖4所示設(shè)計(jì)進(jìn)行的熱仿真結(jié)果。

圖6. 前面示例中所示設(shè)計(jì)的Simcenter Flotherm模型。

該工作流程的另一個(gè)重要特點(diǎn)是能夠在Calibre 3DThermal運(yùn)行后導(dǎo)出FloXML或.pack文件，在設(shè)計(jì)的任何階段與Simcenter Flotherm完全兼容。該集成對處理多裸片或3D堆疊配置等先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的熱分析師尤為有利，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)建立模型。Simcenter Flotherm提供了全面的工具來管理這些復(fù)雜封裝的熱仿真，涵蓋封裝規(guī)模現(xiàn)象及其在系統(tǒng)層級(jí)環(huán)境中的相互作用。Simcenter Flotherm的功能包括對散熱路徑、氣流模式以及緊密排布元器件之間的熱耦合進(jìn)行精確建模，這對于確保高密度電子組件的可靠性能至關(guān)重要。此外，Simcenter Flotherm可以連接到多物理場工作流程，從而能夠同時(shí)分析先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的熱、電和機(jī)械相互作用。通過FloXML自動(dòng)生成詳細(xì)的熱模型，分析師可以輕松地將復(fù)雜的封裝幾何形狀和材料屬性導(dǎo)入Flotherm，而無需從頭開始重建模型。該工作流程不僅加速了仿真過程，而且通過保持設(shè)計(jì)和仿真模型之間的一致性提高了精度。此外，該解決方案能夠在不同工具和設(shè)計(jì)階段保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，有助于防止因手動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸或轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的常見錯(cuò)誤。這種自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理確保熱分析結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)，即使設(shè)計(jì)經(jīng)過多次迭代也是如此。除了能夠通過Calibre 3DThermal自動(dòng)生成封裝層級(jí)熱模型以供Simcenter Flotherm使用之外，工作流程集成還可以提高這兩種設(shè)計(jì)環(huán)境的預(yù)測精度。Calibre 3DThermal和Simcenter Flotherm集成的另一優(yōu)勢是Flotherm能夠確定Calibre 3DThermal可以使用的局部熱邊界條件。Flotherm可以分析封裝的熱環(huán)境，無論它是基于JEDEC標(biāo)準(zhǔn)條件還是3D空間中定制的、特定于應(yīng)用的熱環(huán)境。這使得Calibre 3DThermal能夠更準(zhǔn)確地表示封裝周圍的熱邊界條件，而非依賴對封裝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的“經(jīng)驗(yàn)猜測”方法。在熱邊界條件確定方面的精度提升顯著增強(qiáng)了Calibre 3DThermal的溫度預(yù)測能力，使其能夠?qū)?D IC封裝及其熱環(huán)境進(jìn)行更可靠、更具代表性的熱分析。

圖7. Simcenter Flotherm和Calibre 3DThermal數(shù)據(jù)路徑。

測量和驗(yàn)證

熱行為的理論分析必須輔以精確的測量和驗(yàn)證能力，以確保設(shè)計(jì)成功。西門子的解決方案融合了以Simcenter Micred T3STER熱瞬態(tài)測試設(shè)備為中心的測量工具和方法，該設(shè)備可對復(fù)雜的半導(dǎo)體封裝和組件進(jìn)行高精度熱特性分析，并已被證明適用于2.5D和3D IC封裝的特性分析。Simcenter Micred T3STER系統(tǒng)能夠精確測量熱瞬態(tài)響應(yīng)，使設(shè)計(jì)人員能夠了解在實(shí)際工作條件下熱量在其設(shè)計(jì)中是如何傳導(dǎo)的。該能力在處理先進(jìn)封裝配置時(shí)尤為重要，因傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測量可能無法揭示關(guān)鍵熱行為。該系統(tǒng)可在單次非破壞性測量中同時(shí)捕獲裸片層級(jí)微秒級(jí)快速熱事件，以及封裝與系統(tǒng)層級(jí)需數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)才能穩(wěn)定的長期熱平衡。

圖8. Simcenter Micred T3STER熱測量工具。

原位材料屬性校準(zhǔn)是測量和驗(yàn)證過程的另一個(gè)關(guān)鍵方面。該解決方案能夠根據(jù)實(shí)際測量對熱模型進(jìn)行微調(diào)，從而可以調(diào)整材料屬性和界面熱阻以匹配觀察到的行為。該校準(zhǔn)過程對于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的熱預(yù)測至關(guān)重要，因?yàn)橛捎诠に囎兓徒缑嫘?yīng)，理論材料屬性往往與實(shí)際值不同。除硅基器件外，該系統(tǒng)還專門支持復(fù)合半導(dǎo)體元器件，特別是SiC和GaN器件，這些器件在電力電子應(yīng)用中越來越重要，但也在被集成到異構(gòu)封裝中。這些材料由于具有高功率密度和更高的工作溫度而帶來獨(dú)特的熱挑戰(zhàn)。該解決方案的測量能力經(jīng)過專門調(diào)整，可處理這些材料的獨(dú)特特性，確保在各種工作條件下都能進(jìn)行準(zhǔn)確的熱特性分析。對于生產(chǎn)環(huán)境，該解決方案包括使用短脈沖測量的非破壞性熱完整性測試功能。這種方法使制造商能夠快速有效地驗(yàn)證封裝器件的熱性能，而不會(huì)影響可靠性。所得數(shù)據(jù)可用于在器件部署到現(xiàn)場之前識(shí)別潛在的熱問題，從而降低與熱相關(guān)的故障風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)層級(jí)集成

從元器件層級(jí)到系統(tǒng)層級(jí)熱分析的過渡是通過上述與Simcenter Flotherm的直接集成來實(shí)現(xiàn)的。此集成構(gòu)建了涵蓋從單裸片特性到完整系統(tǒng)行為的全面熱分析環(huán)境。該組合解決方案使設(shè)計(jì)人員能夠了解他們的元器件在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，同時(shí)考慮系統(tǒng)層級(jí)熱相互作用和冷卻解決方案。

元器件和系統(tǒng)層級(jí)分析工具之間的集成促進(jìn)了IC和封裝設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作工作流程?？梢栽u(píng)估設(shè)計(jì)決策在多個(gè)集成層級(jí)上的影響，并且設(shè)計(jì)決策對所有相關(guān)方可見，從而確保某一層級(jí)的優(yōu)化不會(huì)在另一層級(jí)引發(fā)問題。這種整體的熱管理方法可幫助團(tuán)隊(duì)在滿足所有設(shè)計(jì)約束的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較佳的熱性能。

系統(tǒng)層級(jí)集成的一個(gè)關(guān)鍵特征是生成邊界條件無關(guān)降階模型(BCI-ROM)。此類模型在保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)并降低計(jì)算復(fù)雜性的同時(shí)，保持了詳細(xì)仿真的熱精度。BCI-ROM能夠在不泄露敏感設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的情況下進(jìn)行高效的系統(tǒng)層級(jí)熱分析，使其成為在供應(yīng)鏈中共享熱模型的理想選擇。半導(dǎo)體廠商無需擔(dān)憂IP問題，可直接將BCI-ROM交付給系統(tǒng)集成商用于其電路板層級(jí)和系統(tǒng)層級(jí)設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)在AI、機(jī)器學(xué)習(xí)、先進(jìn)駕駛以及航空航天和國防應(yīng)用中采用先進(jìn)的封裝解決方案。獨(dú)特的是，Simcenter Flotherm不僅能夠創(chuàng)建供整個(gè)價(jià)值鏈?zhǔn)褂玫腂CI-ROM模型，還可在電路板層級(jí)或系統(tǒng)層級(jí)仿真中直接應(yīng)用此類模型。

圖 9. 裸片到系統(tǒng)的熱管理。

ECXML

在工具互操作性方面，西門子致力于維護(hù)一個(gè)開放的平臺(tái)。除了BCI-ROM模型的功能之外，您可能還需要共享詳細(xì)的建模數(shù)據(jù)以供非西門子工具包使用。為此，我們的熱分析工具提供了符合JEDEC JEP181標(biāo)準(zhǔn)的重要導(dǎo)出功能，JEDEC JEP181通常稱為ECXML（Electronics Cooling XML，電子冷卻XML），這是電子元器件熱模型交換的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件格式。到2018年，ECXML已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，并于2020年正式發(fā)布為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。

ECXML提供了一種中立的、與廠商無關(guān)的格式，用于在不同的仿真工具和電子設(shè)計(jì)工作流程之間共享熱分析數(shù)據(jù)。JEP181可表示3D熱模型數(shù)據(jù)（從PCB和元器件到風(fēng)扇和散熱器），實(shí)現(xiàn)仿真軟件互操作性，并為構(gòu)建數(shù)字化電子供應(yīng)鏈奠定基礎(chǔ)。