技术资讯 | 芯片封装需要进行哪些仿真？

耀创深圳

全球的封装设计普及率和产能正在不断扩大。封装产能是一个方面，另一方面是在原型基板和封装上投入资源之前，进行测试和评估的需求。这意味着设计人员需要利用仿真工具来全面评估封装基板和互连。

异构集成器件的封装是非常先进的设计，当然也需要电气仿真。但是这些热机电系统是否还需要其他仿真呢？您也许已经猜到了，确保高可靠性封装涉及到一系列测试，而多用途仿真工具可以提供高准确度的结果。




先进封装的三个仿真领域
从大方面来说，需要从三个不同领域开展仿真和实验来确保可靠性。首先要先进行仿真，这为设计团队提供了在测试之前修改封装的机会。三个主要的仿真领域是：电气、机械和热。

下图展示了简单芯片封装及其引线框架的典型 3D 仿真结果。虽然图中只显示了热结果，但原则上，热行为与电气行为和机械行为这两个领域存在关联，具体取决于封装材料属性。在验证可靠性时，需要结合使用专门的仿真软件来检查这三个领域。



热机械仿真

热仿真和机械仿真都很重要，但从确保可靠性的角度来说，热机械多物理场仿真也同样重要。这些仿真可以进入非线性领域，呈现极端温度变化或重复的热循环中的情况。

在同一系统中同时考虑热行为和机械行为时，我们可以看到封装中的热应力，从而更准确地衡量可靠性。多物理场仿真需要输入明确定义了的材料参数才能获得准确的结果。通过仿真可以检测多个性能，例如疲劳、应力和应变，以及由于热膨胀系数失配而导致的界面应力。



电气仿真

异构集成器件的先进封装在电气方面处于领先地位，通常在当前相对更先进的技术节点上运行。这通常意味着数据速率非常高，封装互连结构非常小，所需的通道带宽很高，并且需要采用独特的布线方法，例如跨层布线。

在查看封装内部时，我们可以看到，有几个区域的验证需要全波电磁仿真。首先，要进行信号完整性仿真：



对于通过封装进入 PCB 的更简单的接口，高速信号完整性仿真并不那么重要。但是，如果封装支持具有最新高速接口的先进器件，那么电气仿真非常重要。信号在到达封装底部的 ball-out 之前不能丢失，上述的仿真列表旨在确定何时会发生这种情况。

在封装中，需要仿真的一个重要领域是电源分配。封装中的电源完整性和电源分配拓扑与在 PCB 中一样重要。事实上，这两个领域共同作用，确保了在非常宽的带宽内实现低阻抗。封装中的电源主要由电源轨提供，并最终通过 RDL 布线传输到裸片 bump 上。系统必须在 PCB 变为电感的较高频率范围内提供低阻抗。



该领域的最新仿真模式是兼顾电源影响的信号完整性，在该模式中，电源故障和电源完整性也作为信号完整性仿真过程的一部分。这些仿真方法非同寻常，需要使用非常复杂的 SPICE 电路来预测同一仿真中的电源和信号行为。Cadence Celsius Thermal Solver 是第一种专为电气与机械工程师设计的热分析技术。电气工程师可以扩展电源完整性分析，包括快速、准确和易于使用的热仿真；而机械工程师可以扩展他们现有的热分析方法，包括因电热相互作用产生的真实热源。



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原文由Cadence楷登PCB及封装资源中心整理撰写。
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