从此掌握IcepakMechanical和HFSS芯片封装仿真应用MechanicalIcepakHFSSWorkbench结构基础生热传热换热散热信号完整性通用科普智慧+人工智能

导读:有的人把书读厚,有的人把书读薄。有的人为追求计算精度考虑所有物理场,有的人为追求计算速度网格数量优化到极限。时代在发展,技术在进步。如ANSYS、ABAQUS、CADENCE等等力学、电子仿真软件的发展,都向着“多能”迈进。比如ANSYS从固体力流体,从散热到电子,再从射频到芯片……

2019年4月22日,ANSYS和台积电宣布通过全新认证以及一系列全面的半导体设计解决方案帮助双方共同客户应对来自移动、网络、5G、人工智能(AI)、云计算以及数据中心应用下不断增长的新一代创新需求。这些尖端应用的发展正在刷新电源与热约束环境中的性能极限。

总之,软件发展方向决定的是市场方向,眼花缭乱的市场上,工程师必须要有一双慧眼去伪存真,仿真不仿假。芯片封装越来越复杂,功耗大、尺寸大、结构复杂、速度高,这几个方面特点越来越突出。

芯片设计是一个系统工程,芯片校核也是。没有大局观要么固执己见,要么盲目让步,要做多次试验吃多次亏才会长记性,既如此,仿真的意义何在?

散热、力学、信号完整性,如果一个人这几个学科都有涉猎,明白基础理论,学会使用软件仿真,就可以设计多种试验帮助自己理解与学习,在工作中可以避免上述问题,得心应手。

比如一个高功率BGA封装计算芯片封装,首先肯定是考虑如何将电信号fanout,其次就是考虑散热,或者有时fanout根本不是问题,散热才是主要要考虑的。Fanout过程其实就是substratedesign的layout过程,行与不行布线之后就知道。散热不是。为解决散热问题有很多选择方案,从低成本到高成本,从简单工艺到复杂,如何选,直接关系芯片成本以及可靠性。为了解决散热问题,比如不做molding做spreader,TIM1的选择,利用陶瓷基板等等。

如今芯片速度越来越高,高速信号发展成为独立学科,在芯片设计行业越来越重要。以前主要用WireBonding工艺键合,如今由于金丝高速性能差导致在高速芯片里FlipChip越来越受青睐。WireBonding工艺适应性好,尤其是在材料热膨胀系数(CTE)不匹配时候,更适应Warpage产生的应力。这就使力学性能和高速性能产出一组矛盾。另外,陶瓷基板是解决散热和力学问题的良药,但是其高k以及低密度使复杂封装以及高速封装望而却步。

大部分工程师都习惯于关于自己的领域,每次与其他专业工程师争论都没底气。即使如此,大家也都更愿意处于自己的舒适区,被温水煮熟,而不愿意跳出去获得更多知识,掌握更多信息,让设计更有效率,沟通更有价值。可能他们都觉得跨专业太难,工程经验也很难积累。

但学习都有方法。看起来学科千差万别,依我看都是公式和方程罢了。只要掌握了主要的,理解了精髓,每次讨论都知道其他学科的同事在聊些什么,同时学会一个仿真软件,把可能的结果复现一下。如此慢慢积累,几个学科知识都掌握自然不在话下。

简单举个各个学科耦合的例子。一个加热片,当然可以认为是一个简化的芯片。建模如下:

芯片的die就是类似如此模型,内部金属丝环绕,局部生热,周围SiO2或者其他介电材料包裹。要分析这个模型,肯定从电生热、热传导、热应力三部分进行。用ANSYSWORKBENCH做如下建模:

首先从SOLIDWORKS导入模型,然后用MAXWELL3D进行电流分析,生成焦耳热分布:

生成的焦耳热用场积分器计算出来,然后导入ICEPAK。因为ICEPAK的模型需要简化转化,因此中间夹一个GEOMETRY模块。ICEPAK里面导入EMMAPPING即可将导入焦耳热分布。增加一个散热器之后,求解热分布:

紧接着将热分布导入STATICSTRUCTURAL模块,即结构力学计算,可以通过此热分布求解热变形和热应力:

以下是课程安排

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