芯片封裝級熱仿真的案例
芯片封裝熱仿真詳解
本文來給大家講一講封裝級熱仿真的方法以及需要注意的問題。芯片封裝熱仿真之所以重要，主要有以下兩個原因。
首先，在一個大外形、大功率芯片（例如片上系統 SoC）設計中，如果不考慮散熱問題，則很可能在以后會出現問題，導致其無論從成本、尺寸、重量還是性能方面來看，均不能稱為理想的封裝解決方案。
其次，雖然在以往的IC設計中都已考慮到芯片溫度要均勻，但是在許多情況下，這已不再是一個有效的假設了。電流泄漏導致的發熱使功率耗散不均勻，加上使用更薄的芯片（現在已小于 50μm），更是降低了芯片自身的熱擴散能力。這兩種原因使得芯片上溫度變化更大。
設計三維疊層集成電路等多晶粒芯片時，芯片封裝熱仿真設計就顯得必不可少。熱傳遞是高度的三維現象，封裝溫度的分布會影響芯片上的溫度分布。
本文以SOP封裝為例，介紹使用Flotherm對芯片封裝進行熱仿真分析及優化的流程。仿真目標是確定保證芯片結溫低于150℃且熱量能夠正常耗散的最大功耗值。SOP封裝的尺寸如下圖所示。
SOP封裝在PCB板上的安裝形式及測溫點的位置如下圖所示。分別對沒有散熱器和有散熱器兩種情況進行仿真，在有散熱器的情況下在PCB板和散熱器基板之間有導熱膠進行連接。
仿真使用的PCB板為59x61mm的6層板，假設每層的覆銅率在每層內分布是均勻的。基于該假設，根據每層的覆銅率計算該層的熱傳導系數，如下表。
首先，對沒有安裝散熱器的情況進行仿真，封裝安裝在板的主面，copper slug焊接在板子上，環境溫度為85℃。下圖為仿真結果。仿真熱耗為2w，die attach的熱導率為1.6W/mK。如果把die attach換成導熱性能更好的材料（熱導率為50W/Mk），結殼熱阻值會有明顯的降低，由6.61℃/W降低到1.12℃/W。
展開 如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
下面就來介紹一下如何使用云道智造“電子散熱模塊”進行“基于雙熱阻模型的芯片封裝中簡單強制對流換熱”仿真分析。
“芯片雙熱阻封裝的簡單強制對流換熱問題”仿真分析
1、模擬條件
本算例中建立了包括 1 個機箱、1 個 PCB 板、1 個雙熱阻封裝、1 個軸流風扇、1 個散熱器的簡單強迫對流換熱模型，目的在于雙熱阻封裝模塊的應用，便于熟悉雙熱阻封裝模塊的設置。穩態計算，不考慮輻射。軸流風扇固定流量為 2CFM，垂直出風。
考慮流熱耦合問題；
雙熱阻封裝模塊中，中心節點功耗為 3W；
環境溫度為 30°C。
2、幾何模型
利用軟件自帶的智能模塊，快速建立所需幾何模型。
雙熱阻封裝算例幾何模型
雙熱阻封裝算例模型樹
3、仿真分析
3.1 網格剖分
本次采用默認Region-based網格劃分方式；
調整全局網格和局部網格設置；
全局網格設置
該案例中主要對重要器件進行局部網格設置，平面方向主要控制最大尺寸，厚度方向則是設置最小網格數，如芯片、板卡等。
局部網格設置
選擇【網格剖分】菜單下的【笛卡爾網格】，點擊進行網格剖分；
網格剖分完成后，選擇【載入網格】，可在【檢查網格】窗口中查看網格質量。
本次模型利用非結構化六面體網格剖分，長寬比33.3，非正交網格大于70的面個數為零，畸形度大于4的面個數為零，網格質量良好，滿足流熱耦合計算要求，如下圖所示。
3.2 模型與求解設置
電路板與雙熱阻封裝的屬性設置
求解設置
3.3 計算結果
本分析類型為穩態、流熱耦合計算。
展開 如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
手機、電腦、智能家電等智能化設備都離不開芯片，隨著人們對智能化設備的功能要求越來越多樣化，芯片不斷朝著小尺寸、多功能、高密度、高功耗的方向發展，隨之而來的是越來越嚴重的發熱問題。芯片過熱會導致其性能下降，壽命縮短，造成不可逆損壞，這已經成為制約半導體發展的主要因素。
芯片在出廠前首先要對其進行封裝，封裝是為了實現半導體芯片與外界交換信號并保護其免受各種外部因素影響。為了確保芯片能夠穩定工作并延長使用壽命，工程師需要在芯片封裝前進行熱仿真分析。芯片熱仿真分析能夠在樣品和產品開始生產之前發現熱問題，指導設計優化，以保證芯片工作時的溫度不超過其最大結點溫度，從而減少打樣試錯次數，節約時間和成本，縮短研發周期，提高產品質量。
目前，CAE仿真軟件國產化率較低。為解決ICT領域“卡脖子”的難題，云道智造基于根技術平臺開發了“電子散熱模塊”，率先實現自主化替代，其對標占據市場90%份額的兩款國際商業軟件，已在國內電子通信龍頭企業、芯片企業得到標桿性應用，并面向相關行業領域進行推廣。
云道智造“電子散熱模塊”
“電子散熱模塊”是針對電子元器件、設備等散熱的專用 熱仿真模塊，內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產品的
熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產品進行高效的熱可靠性分析。可廣泛應用于通信設備、電子產品、半導體產品與設備、汽車、航空航天等工業領域。
產品優勢：
點擊圖片 獲取產品資料
現階段，各類電子設備普遍采用強制空氣對流的方式來冷卻發熱器件，即通過在芯片上加裝散熱器將芯片散發的熱量傳遞到散熱片上，并加裝風機等設備增強空氣循環，將散熱器上的熱量帶走。
展開 芯片PCB板級熱仿真怎么做？從小米環形冷泵散熱系統說起
樣件制作完成后，也需要做多輪的熱測試驗證，驗證表面處理、界面材料、功耗、環溫對芯片結溫的實際影響，將仿真與實驗數據做對比，review參數設置，并多做總結，形成一個閉環的設計思路，不斷提高熱設計水平。
三、Icepak板級熱仿真實操
熱設計當今常用的散熱軟件主要有Flotherm和Icepak，其中IcepaK可以求解異形的結構，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有較好的精度，對于電子散熱仿真是一款非常專業的軟件。在汽車電子散熱仿真來說，由于車廠其他結構和電磁的仿真多使用ANSYS的其他軟件，為了統一習慣，也為了處理異形的CAD結構，icepak用于散熱仿真較為常見。但從易用性來說，Flotherm有一定的優勢，它需要更多繁瑣注意項，以及操作流程。
不光是汽車行業，這幾年芯片計算能力需求的飛速發展和對可靠性要求的日益提升，越來越需要高速PCB板以及大功率PCB板，這對前期的設計提出更高的要求，需要仿真加以驗證，甚至是需要熱電耦合仿真或者結構熱耦合仿真。對于PCB板級熱仿真，Icepak可以導入精確的布線，并通過metal fraction計算局部的導熱系數，這樣更好的得到一個貼合實際的結果。它還提供了各種熱阻模型，常用的雙熱阻模型，以及DELPHI模型，以及詳細模型。除此之外還包含各種宏命令，方便對于特定問題的求解，它也可與ANSYS workbench中其他模塊數據相關聯。
做板級熱仿真，首先第一步便是參數的收集。要知道所處的工作溫度（環溫），以及板子的尺寸大小、布置方向、器件的尺寸大小和在PCB板的相應的位置，是否有風或者其他外加散熱措施。除此之外，需要器件手冊的相關內容，RθJB和RθJC以及最大TjMax，前兩個熱阻參數是雙熱阻模型所必須的，最大結溫是為了驗證結果是否超溫。
展開 
5/31 利用RTL功耗Profiling功能進行芯片封裝系統級電源噪聲分析
通過PowerArtist對較長時間場景仿真，輸出的profilepower波形，合成產生包含中低頻電流的CPM模型，從而可以滿足封裝單板仿真的需求
面向受眾
封裝/PCB單板設計人員
時間
2022年5月31日（周二）16:00-17:00
費用
免費
講師簡介
余斌|Sanechips
Sanechips封測資深專家，在芯片封裝pcb設計方面具有16年的SI/PI仿真經驗，負責包括PI/SI/EMI/熱仿真在內的仿真團隊，并負責Sanechips ZTE的芯片設計的性能和可靠性。
掃碼報名
展開 發一個電子封裝芯片的熱流耦合分析實例
電子芯片的散熱設計，有多種，常見的有風冷，水冷等
結合相關例題，（參考相關論文），以多芯片組件的液體間接冷卻方式為例，主要應用的是ansys/flotran模塊
ANSYS Icepak封裝級電子散熱仿真解決方案
> 模型多
> 算法豐富
> 求解穩定
> 并行效能好
- Icepak豐富的求解器功能：封裝、板、系統熱分析
> 穩態/瞬態問題
> 層流/湍流問題
> 強迫/自然/混合對流
> 多流體問題
> 內流/外流
> 固定/運動/對稱邊界
> 直流電/焦耳熱
> 溫度相關物質屬性
> 輻射傳熱、太陽輻射
> 濕度分析
> 污染物擴散
結果可視化：
- 速度矢量圖、溫度云圖、流線圖、等值面、任意剖面、XY曲線、動畫等等
- Overview、Summary、詳細的HTML報告
WB集成 (多物理場耦合)
產品方案
ANSYS封裝級熱仿真產品方案
一般情景下的模塊搭配
03
仿真案例
IC 封裝熱分析
芯片產生的熱量通過內部結構由芯片結區到達外殼的外表面。通過結構拓撲優化來獲得最佳的散熱效果。
Icepak封裝熱模擬的特點
? 與EDA軟件接口完善。
展開 VK1603 SOP8/TSOT23-8三色3通道LED數碼管驅動芯片廠家小封裝數顯驅動電路256級調節
通過外圍MCU控制實現該芯片的單獨輝度、級聯控制實現戶外大屏的彩色點陣發光控制。產品性能優良，質量可靠。ZXY6460
特點
? 單線數據傳輸
? 內置雙RC振蕩，并根據數據線上信號進行時鐘同步，在接受完本單元的數據后能自動將
? 后續數據進行整形轉發
? 線性傳輸時，可無限級聯
? 任意兩點傳輸距離超過10米而無需增加任何電路
? 數據傳輸頻率800K/秒，可實現畫面刷新速率30 幀/ 秒時， 不小于1024 點
? PWM 控制端能夠實現256 級調節，掃描頻率不低于3KHz
? 輸出端口耐壓10.5V
? 在上電后沒有信號輸入的情況下滅燈。
展開 使用ANSYS HFSS仿真芯片的BGA封裝
BGA封裝，即Ball Grid Array Package—球柵陣列封裝，是高密度、多功能芯片常用的引腳封裝，如下圖所示，該封裝性能優勢大家可以去百度了解，本文主要講解如何對BGA封裝利用HFSS進行仿真。
1、當要對一個項目進行仿真時，需要先了解仿真項目有哪些參數尺寸、材料屬性該如何設置、以及如何簡化仿真模型等，不必一拿到仿真需求就去匆匆畫圖。如果能將仿真模型先在草稿上畫上關鍵部分，成熟胸中，必能事半功倍，不然老要回頭去修正模型，大大浪費時間。不啰嗦了，先來看看BGA封裝的具體尺寸，如下圖：可以從芯片的datasheet中找到具體的封裝pad尺寸和BGA焊球的高度，其中這個高度和關鍵。
2、仿真準備工作，由于要通過TDR值來優化BGA過孔反焊盤的尺寸，需要將HFSS中的solution type設置為Terminal，即終端模式求解，另外掃頻方式只能選擇Interpolating（插值法掃描）。還有在HFSS》design setting中注意勾選Enable material override和automatically use causal material。（勾選這兩項一是為了簡化建模，讓金屬自動覆蓋介質材料，因此不必額外再做減法substract；另一項是為了使得仿真求解滿滿足因果性，不然仿真結果容易出錯）
3、建立模型，具體過程就不詳述了，按BGA封裝尺寸建立即可，如下圖：在BGA焊球上方加一塊pec以保證GND相連，wave port 2是一個100ohm的同軸差分線，可以通過Q2D來確定其尺寸和介質的介電常數。
展開 電磁仿真在PCB、封裝、芯片上的應用
這時候我們必須得借助軟件，分析封裝芯片的線路布局、走線交叉、參考平面變化、屏蔽層和過孔檢查，快速定位電路板上潛在問題，避免引起EMI/EMC、SI 或PI 等錯誤。
規則檢查
隨著微電子技術的飛速發展，芯片的尺寸越來越小，同時運算速度越來越快，發熱量也就越來越大，這就對芯片的散熱提出更高的要求。設計人員就必須采用先進的散熱工藝和設計合理的散熱方式來有效的帶走熱量，保證芯片在所能承受的最高溫度以內正常工作。而對于一些大功率器件，其內部的焦耳熱也不可忽視，這時我們可以先對器件進行電磁分析后，在進行電/熱耦合迭代分析，計算焦耳熱；
展開 AnsysWB-硅芯片表面貼裝封裝的傳熱仿真 ￥15
印刷電路板的設計人員經常需要考
慮熱敏器件和發熱器件的相對位置，使敏感器件不至于過熱。
有一種發熱裝置是調壓器，可以產生幾瓦的熱量，溫度會超過 70?C。如果在設計電路
板時將這樣的裝置置于靠近包含敏感硅芯片的表面貼裝封裝的位置，則調壓器的熱量
可能導致可靠性問題，進而因過熱發生故障。
白皮書下載丨高速芯片與先進封裝仿真解決方案
圖元仿真工程中心一直致力于為客戶提供電子產品設計相關的仿真分析服務，我們正在與很多IC封裝客戶和系統客戶合作，幫助他們解決實際項目問題并完善設計流程。通過每個仿真項目的實施，工程中心技術團隊對客戶的需求以及行業的發展有了更加深刻的認識，自身的業務能力也得到了長足的進步，形成了完整的仿真服務體系。
下面我們通過一篇介紹性的技術白皮書來展示圖元的仿真能力與服務內容，本白皮書為PDF版本，全長27頁，將重點介紹工程中心的業務范圍與框架：
一. 仿真工程中心
二. 仿真價值與作用
三. 仿真服務內容
1) SI仿真
2) PI仿真
3) Thermal仿真
4) EMC仿真
5) 2.5D/3D先進封裝仿真
四. 主要仿真平臺
掃描二維碼下載白皮書
展開 Ansys再獲三星Foundry認證，其熱完整性和電源完整性解決方案被用于三星多芯片封裝技術
Ansys多物理場平臺提供經過驗證的解決方案，可應對仿真和管理異構2.5D/3D-IC多芯片系統的電源和熱效應方面的挑戰
主要亮點
Ansys? Redhawk-SC?和Ansys? Redhawk-SC Electrothermal?多物理場電源完整性與3D-IC熱完整性平臺均通過認證，可與三星Foundry X-Cube技術共同用于3D封裝
Ansys? Icepak?被用于驗證RedHawk-SC Electrothermal的預測準確度
Ansys宣布Ansys RedHawk電源完整性和熱驗證平臺已通過三星Foundry認證，可用于其異構多芯片封裝技術系列。三星與Ansys的合作證明電源和熱管理對于先進的并排（2.5D）和3D集成電路（3D-IC）系統的可靠性和性能的重要性。
3D-IC技術既能夠使眾多用于高性能計算、智能手機、網絡、人工智能和圖形處理的領先半導體產品成為可能，也可以幫助企業在其市場上實現競爭差異化。三星可提供一系列2.5D封裝選項（I-Cube和H-Cube），以及采用X-Cube技術的3D垂直堆疊。多個芯片的高密度集成帶來了散熱方面的重大挑戰；單個芯片可以消耗超過100W的功率，因此必須通過極為精細的微凸點連接進行布線。
展開 先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
高級多芯片2.5D和3D封裝技術引入新的拓撲結構來建模
當前的封裝技術包含：
? 穿過堆疊芯片，從Bump到芯片用于供電和信號連接的硅通孔（TSV）
? 芯片之間的短距離（并行、時鐘轉發）接口
? Interposer中的局部重分布互聯層
上圖所示的是一種帶有兩個芯片的簡單2.5D interposer結構，時鐘線用黃色高亮顯示，作為示例，分析整個結構的電磁（EM）效應是必要的。
而且，最后但同樣重要的是：
與先進工藝節點芯片和多芯片封裝相關的物理設計數據量十分龐大
提取寄生模型的算法需要支持分布式計算，并且跨多個處理器核心提供高度可擴展性能。
最近，我有幸與Ansys的Yorgos Koutsoyannopoulos和Anand Raman進行了交流，了解他們對支持這些模型提取領域的發展所需的趨勢和工具特性的看法。他們的見解非常有指導意義，具體而言，最近推出的Ansys RaptorH這款產品如何綜合全面地滿足這些不斷變化的需求。
Yorgos首先表示： “RLCK提取和仿真的應用空間正在迅速擴大。2.5D和3D IC的設計人員對以芯片為中心的流程非常熟悉。他們需要的建模解決方案既要求具備易用性，同時又要滿足高信號數據速率所需的精度以及這類封裝解決方案的供電問題。”
我問道：“您如何在易用性和準確性之間取得平衡？”
Yorgos答復道： “Ansys HFSS是電磁分析的黃金標準，其應用范圍從無線傳播一直延伸到PCB級信號與電源完整性仿真。上一代產品RaptorX則重點關注片上結構的寄生計算，例如螺旋電感、電源網格、芯片上MIM去耦電容器。
展開 先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
想要了解更多Ansys半導體解決方案，可查看近期『2021 Ansys Innovation大會』——CPS-芯片封裝系統專題分會場，>成為Ansys數字資源中心會員查看更多精彩內容" tab="outerlink" data-linktype="2" style="color: rgb(0, 82, 255); text-decoration: underline;">>>成為Ansys數字資源中心會員查看更多精彩內容
關于Ansys CPS 解決方案
Ansys CPS（Chip+Package+System）多物理場仿真方案，包含了Redhawk/HFSS等業界黃金工具，基于CPM/CSM/CTM等獨有的芯片模型，通過協同仿真考察芯片與PKG/PCB之間的耦合影響，通過電、熱、結構之間的多物理場耦合仿真使得仿真精度更高，幫助設計者優化從芯片至系統的SIPI/熱/結構可靠性等設計指標，此流程已經支持多家客戶在先進工藝節點和大規模的2.5D/3D IC設計上成功流片。
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