全球的封裝設(shè)計(jì)普及率和產(chǎn)能正在不斷擴(kuò)大。封裝產(chǎn)能是一個(gè)方面，另一方面是在原型基板和封裝上投入資源之前，進(jìn)行測試和評估的需求。這意味著設(shè)計(jì)人員需要利用仿真工具來全面評估封裝基板和互連。

異構(gòu)集成器件的封裝是非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)，當(dāng)然也需要電氣仿真。但是這些熱機(jī)電系統(tǒng)是否還需要其他仿真呢？您也許已經(jīng)猜到了，確保高可靠性封裝涉及到一系列測試，而多用途仿真工具可以提供高準(zhǔn)確度的結(jié)果。

先進(jìn)封裝的三個(gè)仿真領(lǐng)域

從大方面來說，需要從三個(gè)不同領(lǐng)域開展仿真和實(shí)驗(yàn)來確保可靠性。首先要先進(jìn)行仿真，這為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了在測試之前修改封裝的機(jī)會。三個(gè)主要的仿真領(lǐng)域是：電氣、機(jī)械和熱。

下圖展示了簡單芯片封裝及其引線框架的典型 3D 仿真結(jié)果。雖然圖中只顯示了熱結(jié)果，但原則上，熱行為與電氣行為和機(jī)械行為這兩個(gè)領(lǐng)域存在關(guān)聯(lián)，具體取決于封裝材料屬性。在驗(yàn)證可靠性時(shí)，需要結(jié)合使用專門的仿真軟件來檢查這三個(gè)領(lǐng)域。

熱機(jī)械仿真

熱仿真和機(jī)械仿真都很重要，但從確保可靠性的角度來說，熱機(jī)械多物理場仿真也同樣重要。這些仿真可以進(jìn)入非線性領(lǐng)域，呈現(xiàn)極端溫度變化或重復(fù)的熱循環(huán)中的情況。

在同一系統(tǒng)中同時(shí)考慮熱行為和機(jī)械行為時(shí)，我們可以看到封裝中的熱應(yīng)力，從而更準(zhǔn)確地衡量可靠性。多物理場仿真需要輸入明確定義了的材料參數(shù)才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。通過仿真可以檢測多個(gè)性能，例如疲勞、應(yīng)力和應(yīng)變，以及由于熱膨脹系數(shù)失配而導(dǎo)致的界面應(yīng)力。

電氣仿真

異構(gòu)集成器件的先進(jìn)封裝在電氣方面處于領(lǐng)先地位，通常在當(dāng)前相對更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。這通常意味著數(shù)據(jù)速率非常高，封裝互連結(jié)構(gòu)非常小，所需的通道帶寬很高，并且需要采用獨(dú)特的布線方法，例如跨層布線。

在查看封裝內(nèi)部時(shí)，我們可以看到，有幾個(gè)區(qū)域的驗(yàn)證需要全波電磁仿真。首先，要進(jìn)行信號完整性仿真：

對于通過封裝進(jìn)入 PCB 的更簡單的接口，高速信號完整性仿真并不那么重要。但是，如果封裝支持具有最新高速接口的先進(jìn)器件，那么電氣仿真非常重要。信號在到達(dá)封裝底部的 ball-out 之前不能丟失，上述的仿真列表旨在確定何時(shí)會發(fā)生這種情況。

在封裝中，需要仿真的一個(gè)重要領(lǐng)域是電源分配。封裝中的電源完整性和電源分配拓?fù)渑c在 PCB 中一樣重要。事實(shí)上，這兩個(gè)領(lǐng)域共同作用，確保了在非常寬的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)低阻抗。封裝中的電源主要由電源軌提供，并最終通過 RDL 布線傳輸?shù)铰闫?bump 上。系統(tǒng)必須在 PCB 變?yōu)殡姼械妮^高頻率范圍內(nèi)提供低阻抗。

該領(lǐng)域的最新仿真模式是兼顧電源影響的信號完整性，在該模式中，電源故障和電源完整性也作為信號完整性仿真過程的一部分。這些仿真方法非同尋常，需要使用非常復(fù)雜的 SPICE 電路來預(yù)測同一仿真中的電源和信號行為。Cadence Celsius Thermal Solver 是第一種專為電氣與機(jī)械工程師設(shè)計(jì)的熱分析技術(shù)。電氣工程師可以擴(kuò)展電源完整性分析，包括快速、準(zhǔn)確和易于使用的熱仿真；而機(jī)械工程師可以擴(kuò)展他們現(xiàn)有的熱分析方法，包括因電熱相互作用產(chǎn)生的真實(shí)熱源。