2.5D/3D芯片封装解决方案：行业应用新趋势

随着半导体工艺的不断缩小，物理极限制约着工艺的进一步发展。2.5D/3D IC先进封装技术通过堆叠2D芯片，并在3D方向进行连接，有望进一步提升芯片集成密度，并且显著减小互联延时和互联密度，挖掘系统的性能潜力，系统的功耗也得以降低。2.5D/3D IC封装提供了比以往都要灵活的方法，把不同技术的集成电路进一步集成，如存储器和逻辑电路、射频（RF）和混合信号组件、光电子器件等，为实现小而强大的系统提供了新方向。

2.5D/3D IC封装提供更高集成度的同时，也引入了非常多的挑战。布线尺寸的减小增加了互连线之间的干扰，芯片间距的缩小增加了相互干扰，发热将会成为约束系统的关键问题，必须对热进行合理的规划和管理，多芯片的堆叠也增加了应力开裂的风险。Ansys CPS Platform提供了从芯片，封装，PCB，系统级的多物理层耦合的仿真平台，覆盖电磁，电热，应力多个学科。Ansys成熟的解决方案，成熟的工具配套，广泛的用户群体，为2.5D/3D IC的产品设计提供了强有力的支撑。

Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS) 工艺（图片来源：wikichip）

Ansys解决方案

一、Interposer参数提取和设计优化

Interposer作为2.5D/3D IC互联的载体，精确的互联参数提取是非常重要的一个环节，HFSS/SIwave可以提供多种求解器。

• HBM IO的参数提取和优化
• 高速SERDES的参数提取和优化
• RF隔离度
• On-Chip电感，电容求解
• CPA快速参数抽取

Interposer参数提取和设计优化流程

Interposer GDS导入向导

二、PI 分析

HFSS/SIwave可以对Interposer, Package, PCB等组成的系统进行DCIR, PDN, Noise等指标进行分析，结合Ansys Redhawk输出的高精度CPM电源模型，实现高精度的CPS分析。

• Interposer/Package压降和载流密度分析
• CPS PDN参数提取和优化分析
• CPS 电源Noise分析

Interposer/Package压降分析案例

CPS PDN参数提取和优化分析

三、SI 分析

HFSS/SIwave进行高速接口分析，结合CSM、CPM模型，对接口的SSN噪声、信号质量、眼图、抖动指标进行分析。

• HBM SSN分析
• 高速SERDES分析
• 其它IO分析

HBM SI分析

四、电热耦合分析

电热是2.5D/3D IC设计的重点，Icepak结合Ansys CTM模型，可以实现高精度的热可靠性分析

• 铜箔/焊球载流能力分析
• 2.5D/3D IC热分布热点分析
• 2.5D/3D IC高精度CPS电热耦合分析
• EM电迁移分析

Ansys电热耦合分析解决方案

五、热应力分析

热应力会导致芯片局部可靠性问题，甚至开裂的风险，SIwave + Icepak + CTM + Mechanical提供高精度的2.5D/3D IC热解决方案。

• 2.5D/3D IC热应力分布
• 裂纹分析
• 翘曲分析
• 焊球疲劳分析
• 跌落冲击

焊球应力分析应用

Ansys助力2.5D/3D IC先进封装设计，提供SI/PI/EMC、电热、应力疲劳等全方位解决方案

Ansys是业界唯一可以提供从系统到芯片的多物理场耦合的解决方案。2.5D/3D IC高性能先进封装的设计挑战，要求设计者的观念从对芯片、封装和电路板孤立分析的解决方案向更加系统化全面分析的CPS多物理场（Multi-physics）解决方案转变。随着设计余量的不断压缩，设计者必须有效的去考虑系统和芯片的影响，站在整个CPS (Chip + Package+ System) 的完整链条上去考虑封装参数的设计和优化。

• 2.5D/3D IC通过Interposer实现高密度的互联，Interposer上的高速布线需要精确的评估和设计，同时要考虑各个模块之间的干扰影响。
• 热对电性能的影响将变得更加严重，封装作为载体，需要考虑如果为IC提供散热通道，同时热也会影响封装上电性能的传输，电的传输也是产生热的一个源头，电热耦合设计不可避免。
• 高功率密度，高温环节，多颗Die的聚合，多种材料的接触，不可避免的会产生热应力问题，甚至造成产品失效，热和应力的耦合也变得非常重要。

2.5D/3D IC先进封装设计必须全面考虑芯片，封装，PCB，系统的影响，同时在电，热，应力之间找到一个合适的平衡点。Ansys的CPS多物理场耦合平台，提供了解决上述问题的全部方案，不同层级的设计人员，都可以在这个平台上找到对应的解决方案，使用Ansys最新的设计工具和方案加速设计的研发，获取最佳产品性能，缩短研发周期，在市场上保持产品的创新和领先。

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