半导体封装领域的整体解决方案概览

着半导体高密度先进封装HDAP（High Density Advanced Package）日益增长的复杂性，企业需要采用集成的工具链来降低呈指数增长的设计费用。

一个完整的无缝的半导体封装解决方案：

• 使用一套完善的可靠的工具链进行设计、模拟和测试
• 实施标准化的数据格式，实现各工具间的无缝转换

ECAD-MCAD协同

• ECAD-MCAD设计工具，应用于电气、热和机械领域；
• 通过集成的ECAD-MCAD仿真生态系统更快地开发集成电路。

热仿真设计

先进封装中最关键的挑战之一是控制半导体温度。这就是热设计成为封装设计工作流程中越来越重要组成部分的原因。通过保持较低的结温，可以简单地避免管芯附着层或C4凸块中的裂纹或分层等问题。

使用专用CFD和FEA求解器的联合模拟来分析复杂包装结构的热和机械行为。

我想通过下面几个简单的步骤来说明这个过程有多简单。

封装设计可以使用MCAD工具，也可以直接在热仿真工具中创建。我们使用Simcenter FLOEFD作为嵌入在MCAD NX环境中的CFD解决方案，以创建下面的封装设计。由于FLOEFD有一个“封装创建器”工具，支持使用参数化输入对常见封装类型进行快速建模，因此可以在几分钟内创建一个FCBGA(倒装芯片球栅阵列)封装模型。参见图1。

图1:在FLOEFD中给NX创建FCBGA示例

Simcenter FLOEFD建立在智能、快速和精确技术的基础上，有助于将整体模拟时间减少75%,并将生产率效率提高40倍。

该器件可以单独仿真，也可以安装在与其预期应用类似的PCB上。这就是为什么西门子支持从Xpedition到MCAD NX环境的无缝PCB模型导入，在这里建模的芯片及其所有内部细节被添加。参见下面的图2。

图2: PCB模型导入和添加改进的封装定义

下一步是根据研究目标，利用整个PCB或封装下方的一个狭窄部分进行仿真。在热仿真开始之前，应定义材料，并直接从包创建者导入或手动添加。该模型可以用于传导、对流流和辐射仿真。在FLOEFD中会自动创建一个精确的热网格，然后开始仿真。当前示例在不到两分钟的时间内生成了120万个网格，花25分钟获得瞬态模拟的解决方案，远远超过了传统方法。结果如下所示，包括材料温度和设备上的气流。

图3:热气流模拟结果

结构模拟:

Simcenter FLOEFD可以创建有效的六边形网格，直接使用现有模型进行线性应力分析，并计算诸如Von Mises应力或等效拉伸应力等场:

图4:在Simcenter FLOEFD中生成的Von Mises应力结果

为了进行非线性分析，模型被转移到Simcenter 3D，而不离开MCAD NX生态系统。网格、材料、胶接触、约束和载荷(常数值或从另一个Simcenter FLOEFD计算中转移)可以无缝地转移到Simcenter 3D，您可以从各种有用的求解器中进行选择，如热循环的蠕变、位移和疲劳模拟。图5显示了我们的热负荷示例案例的蠕变模拟结果。

图5:热负荷下的位移模拟结果

热模型校准:

即使FloEFD仿真工具已经非常成熟，并得到市场的考验及认可，但也建议您通过物理实验测试组件的最终热特性，如果模拟和测试结果不匹配，则应重新校准热模型参数。西门子提供了一种独特的测试方法，称为Simcenter T3Ster(热瞬态测试仪)，可以在半导体芯片上施加功率阶跃，并测量其相应的热响应。“单位功率阶跃响应”是热系统的特征，因此封装的传递函数很容易计算。

图6: T3Ster热瞬态测试方法

因此，封装可以用由数百个元件组成的等效热R-C网络来建模。对于一维散热情况，这些R-C元件与封装各结构层的真实热特性密切相关。

出于模型校准目的，如果我们在Simcenter FLOEFD内重复测试，使用与测试中相同的边界条件、输入功率和瞬态时间步长，描述封装数字孪生的R-C网络模型必须与从测试中获得的R-C网络模型相同。如果出现不匹配的情况，Simcenter FLOEFD可以自动找到缺失的接触热阻值，调整不明确的热导率，甚至根据需要调整几何形状。

校准后的热模型:

• 它的热行为与真实的物理设备完全一样，
• 即使在瞬态模拟情况下也是如此，相应的结构模拟也将更加精确，因为它们需要精确的热场作为输入
• 所选材料的行为将得到理解，并可保存在库中，用于创建更好的模型

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