芯片封装协同设计之所以重要，有以下几个原因。首先，在一个大外形、大功率芯片（例如片上系统(SoC)）设计中，如果不考虑散热问题，则很可能在以后会出现问题，导致其无论从成本、尺寸、重量还是性能方面来看，均不能称为理想的封装解决方案。

 其次，虽然在以往的IC设计中都已考虑到芯片温度要均匀，但是在许多情况下，这已不再是一个有效的假设了。电流泄漏导致的发热（与温度相关）使功率耗散不均匀，加上使用更薄的芯片（现在已小于50μm），更是降低了芯片自身的热扩散能力。这两种原因使得芯片上温度变化更大。

 何时应该使用芯片封装热协同设计？

 设计三维叠层集成电路(3DIC)时，芯片封装协同设计就显得必不可少。由于芯片的电能和热能之间存在相互作用，因而不能独立地设计芯片。通过作为芯片间互连的硅过孔(TSV)（虽然它们的主要作用是减少热点），有助于从芯片叠层中导出热量，因此，它们在芯片上相对于大功率区域的布局，会较大程度地影响整体热性能。热传递是高度的三维现象，因此，封装温度的分布会影响芯片上的温度分布。

 1、始终先从封装开始

 为了获得芯片内正确温度分布，很必要在热模型中加入这样一个封装结构—安装在典型的PCB上且适宜使用具有代表性的散热器解决方案，这样就可使在预测的封装温度分布时考虑电路板上扩散的和进入散热器的热效应。要正确预测封装与其环境相互作用的方式并因此预测封装内正确的温度分布，需要此完整的计算流体动力学(CFD)仿真。

 需要注意的是，简单地为芯片的每个表面施加一个恒定的热阻值以表示热流到环境的通道，不足以作为边界条件。由于高热导率材料与芯片的近距离热接触，使得到环境的高热阻不捕获任何局部热扩散效应。这可能会保持芯片温度均匀而不显着贡献环境的总热阻。使用单一的热阻值可能会导致过度且可能不正确的设计决定。

 在前期设计中及在详细的IC设计开始前，优化芯片封装架构有最大的活动范围。在此阶段，芯片的数目以及每个芯片预定的尺寸和功率均已明确。这可以用来创建可用于探究封装设计空间的候选封装的三维热传导模型（如果封装样式内部有空腔，还可以包括对流和辐射）。此模型还提供允许将温度数据反馈到IC设计流程的热环境。

 2、在IC设计开始之前，探索封装设计空间

 候选封装的热模型可用于研究不同的芯片布局、封装尺寸和封装材料（例如球栅阵列(BGA)封装的基板中铜的量）对热性能的影响。在这个阶段，自由度较高，因此有机会探究不同的封装选择和每一个设计。基于对芯片尺寸最初的估计，对于给定封装样式，可调查下列设计参数以确定它们对芯片温升和变化情况的影响：

 硅过孔的数目和可能的TSVLayout影响

 中介层的大小、形状和材料选择的影响

 界面电阻的效果（胶接层）

 金字塔结构与悬空叠层结构（如果引线键合)

 封装内部的散热解决方案，如芯片边缘散热，内部散热片等

 外部散热解决方案，例如焊盘、底部填充选项等的影响

 特点是对芯片温升影响最大，变化情况说明需要进行更详细地建模和优化热性能。

 3、包括与温度相关的热属性

 对于硅和列入Flotherm材料库中的材料，会自动包括在内。整个芯片的温度范围可能会大到不能假设为单一的热导率值，所以必须有随温度变化的热导率才能精确地预测芯片热点值。请注意，进行瞬态计算时，有必要加入材料密度和特定比热容。在Flotherm中，当材料附加到对象时，会自动加入上述两项。

 深圳市有限元科技有限公司是Flotherm在中国的一级代理商，并代理国外其他多款cae软件，有限元科技是以工程仿真软件开发为核心，集cae咨询、cae培训、cae软件研发与销售为一体的高科技企业。公司秉承以最高质量的产品和最高质量的服务满足客户的各种需求的服务理念，致力于为客户提供一站式cae整体解决方案，目前已为全国超过500家企业提供cae分析服务。如需购买软件或咨询服务等请联系在线客服，QQ：2039363860/4006046636。

 4、完善芯片的表面处理

 加入芯片活性层（金属和多晶硅）与约0。5至1。0μm厚的各向同性块的三维表示。通常用作介电材料分隔芯片活性表面上的金属引线的二氧化硅(SiO2)和硅酸盐玻璃，具有1W/mK数量级的热导率，比其分隔的金属（传统上为铝或铜）大约低两个数量级。不同层次的引线走不同的方向，所以材料表现为局部各向异性。但是，不同层次的高电平互连，加上不同方向上的金属走线，会引起热扩散。因此，对于主IC设计流程之外的前期设计活动，可将大部分行为近似看做各向同性材料，其带有在封装级别模型中一个网格单元厚度内捕获的所有活性表面层。IC工艺和设计技术文件中包含了有关金属宽度、间距以及优先布线方向的信息。这些信息可用于计算这个热活性层总厚度和平均的各向同性材料属性。

 5、在底层规划之前，反馈温度信息

 到这个阶段，热量应该在芯片中均匀地分布。但实际情况并非如此，还应进一步完善模型，以便从IC设计团队获得更详细的信息后能够立即消除这一假设。在开始时使用这一假设的好处在于，可给出芯片间温度从封装的有限能力上升到芯片整体保持均一温度的变化情况。在IC设计流程开始之前为IC设计团队提供有关芯片平均温度和每个芯片温度变化信息，会对底层规划有很大的帮助作用，这对设计质量很重要，因为在底层规划期间做出的决定可能会缓解或加剧这种温度变化。

 6、在底层规划期间使用功率预算

 一旦开始进行底层规划，您需要从IC设计团队处拿到高层次的功率映射，导入到封装的热模型中。Flotherm拥有的DieSmartPart可以读入CSV文件格式的功率，从而自动完成并迅速反馈结果，因为仿真模型往往只需要运行短短的几分钟，就可指明TSV在哪里引入可改善散热性能或哪里需要设计变更。例如，对于确保两个或更多个不同功能块在非常相似的温度下运行以消除定时问题，它可能会非常重要。

 对于逻辑搭载逻辑的3DIC，这应该在不同芯片之间隔开设计时，和在芯片间和芯片内底层规划期间（要求每个芯片的功率映射）加以考虑。在此阶段，有机会在保持功能块相对位置不变的情况下，将其沿x和y方向（xy扩展）移动，只是调整它们之间的间距（空白空间）使得能够插入TSV以检查它们对芯片热点的影响。在知道与芯片厚度成比例关系的TSV尺寸和间距后，具有更高的贯通面热导率的块可以叠加到Flotherm中的这些空白区域的芯片厚度上，以局部覆盖硅的属性。在前期的底层规划中，系统能对过高或过低进行调查，以告知IC设计团队可使用TSV控制热点到何种程度，从而限定问题。在底层规划期间，作为IC设计流程的一部分，需要完成对功能块和TSVLayout的优化。

 7、使IC设计流程感知温度

 随着底层规划的推进，在进一步细化设计时，热设计工作需要把重点放在芯片之间的热相互作用的细节上。芯片的功率映射变得更加详细，并且在3DIC的情况下，作为电气设计的一部分，需要定义TSV的数量和位置。

 最新资讯：
 应广大用户需求，有限元科技特开设Flotherm热设计应用培训课程：Flotherm热设计应用培训—最少的成本制定精确的设计
 可联系在线客服报名参加培训，或预约及定制个性化培训！

如有CAE业务的需要请联系电话：13723451508，咨询QQ：215370757

本文出自深圳有限元科技有限公司cae软件专业网站：http://www.feaworks.org 转载请注明