随着半导体工艺逐渐逼近物理极限，先进封装技术如3D IC正在成为推动集成电路性能持续提升的关键手段。通过将多个芯片垂直堆叠，3D封装显著提升了系统集成度、传输速率与计算效率，广泛应用于高性能计算、AI、数据中心、5G与汽车电子等领域。

 

然而，3D IC封装在带来系统紧凑性与性能优势的同时，也增加了散热问题的复杂性：

1. 1.  热功率密度显著上升

多芯片堆叠结构使单位体积内的热功率密度大幅增加，芯片容易发生热点聚集。

2. 散热路径复杂

芯片之间的热流路径复杂，传统单芯片热模型无法准确评估整个封装的热行为。

3. 异构芯片间热耦合效应明显

处理器、内存等不同芯片发热量不均，彼此的热干扰影响性能与可靠性。

4. 封装材料与结构限制散热路径

如TSV（硅通孔）、微凸点、热界面材料等多种材料组合，热导率差异大，热问题突出

5. 热应力与热可靠性问题

长期热应力可能导致翘曲问题、焊点疲劳、材料分层甚至器件失效。

在设计早期实现准确的热分析

3D IC面临的最关键挑战之一是将温度控制在合理水平。这也是热设计成为封装设计流程中日益重要组成部分的原因。通过保持较低结温和避免热点，可以避免在直接键合、混合键合或C4焊球中出现裂纹问题。

 

Simcenter FloEFD软件是一款完全嵌入CAD环境的工程化的流体传热仿真软件，帮助工程师在首选的CAD环境中快速准确地模拟流体流动和热问题，从而优化设计方案，缩短开发周期。复杂封装结构的热和机械行为应通过计算流体力学（CFD）与有限元分析（FEA）求解器的协同仿真进行分析。我们将在下文中通过几个步骤，看看这一过程有多简单。

 

创建封装模型

 

封装结构定义可以来自CAD工具，也可以直接在热仿真软件中创建。本例中我们使用了嵌入NX环境中的Simcenter FloEFD 来创建封装结构。FloEFD 提供了Package Creator工具，支持通过参数化输入快速建立常见封装类型，只需几分钟即可建立一个FCBGA封装模型。

自动网格划分、高效求解与可视化后处理

 

基于智能、高效且精确的数据与技术基础，使用Simcenter FloEFD 可将总体仿真时间最多缩短75%，同时将工程生产力提升至多40倍。

 

Simcenter FloEFD既可单独对元器件进行仿真，也可将器件装在PCB板上，模拟实际应用环境。因此，西门子支持从Package Designer软件无缝导入PCB模型到NX环境中，并在其中添加带有内部结构的芯片模型。

 

下一步是根据研究目标，对整个PCB或封装下方的一小块区域进行仿真。在开始热仿真之前，应调整材料定义，可以直接从Package Creator中导入，或手动添加。模型可以是导热模型，也可以加入对流和辐射。

 

Simcenter FloEFD会自动生成优化的热网格，然后开始仿真。本案例中共生成了120万个单元，用时不到两分钟，并在25分钟内完成瞬态仿真的求解，效率远远超过传统方法。仿真结果包括器件材料温度分布和气流流动情况，如下图所示。

 

FloEFD 结构力学仿真

 

借助Simcenter FloEFD，您可以提升工程效率，解决复杂的工程挑战。Simcenter FloEFD可以高效生成六面体网格，并直接对现有模型进行线性应力分析。还可以用于计算封装在实际应用中可能发生的翘曲和位移，并能够直接显示Von Mises等效应力或等效拉应力等应力场。

 

若要进行非线性分析，可以将模型无缝传输至Simcenter 3D 软件中。网格、材料、粘接接触、约束条件及载荷（可为常数值，或使用Simcenter FloEFD计算结果）均可无缝导入Simcenter 3D。在此环境下，您可以选择多种求解器，对热循环过程中的蠕变、位移及疲劳进行仿真。下图展示了在指定热载荷下的蠕变仿真结果。

 

仿真模型校准

 

仿真结果的精度取决于模型的准确度。即使是最精心构建的模型，也建议对器件的热性能进行实测验证；如果仿真结果与测试结果存在差异，则应重新校准热模型参数。

 

西门子提供了一种独特的无损测试解决方案 —— Simcenter T3STER SI 热瞬态测试仪，通过非破坏性地测试封装好的半导体器件的电压随着时间的瞬态变化，快速地获得准确的、重复性高的结温热阻数据以及结构内部信息，测试结果可以生成热阻热容模型（R-C 网络模型）供热仿真软件使用，可以校准详细的仿真模型。

 

为了校准模型，我们在Simcenter FloEFD中复现实验，使用与实际测试相同的边界条件、输入功率以及瞬态时间步长，仿真的R-C网络模型应与实际测试得的R-C网络模型一致。如果存在偏差，Simcenter FloEFD可以自动识别缺失的接触热阻，调整定义的热导率，甚至在必要时修改几何结构。为简化模型互通并增强用户及组织之间的沟通交流，现在支持将Simcenter Flotherm软件模型导入到Simcenter FloEFD 软件中，并继续使用原始模型的设置。

 

经过校准的仿真模型具有以下优势：

1. 1. 即便在瞬态仿真中，热响应也能与真实物理器件完全一致；

2. 结构仿真将更加准确，因为输入的热场更加精确；

3. 有助于分析特定材料的热行为，可保存至库中以便在优化模型时重复使用。

优化设计与探索最佳方案

Simcenter FloEFD拥有强大的参数优化功能，不仅能对仿真特性参数（如边界条件、环境条件、材料属性等）进行变量优化，还能针对模型的几何参数进行优化。

利用已定义的工作流程模板，就可以探索最佳设计，寻找能满足所需设计要求的解决方案。这个过程是完全自动化的，工程师只需解读优化算法发现的结果即可。

传统的实验设计(DOE)方法需要繁琐的步骤才能有效地总结出合适的解决方案，与之相比，这种算法引入了一种范式转变。在探索设计方案时，工程师不再需要面对选择和调整算法的难题，只需关注产品设计的技术要求，Simcenter FloEFD将提供创新的解决方案。

【FloEFD】如何快速找到设计方案的最优解，提升迭代效率?

 

总结

3D先进封装带来了前所未有的集成密度，也提出了更高的热设计要求。Simcenter FloEFD通过高效仿真与优化，助力工程师应对复杂热挑战，加速产品开发，为高性能芯片系统提供可靠支持。

如果您想深入了解Simcenter FloEFD仿真解决方案及应用案例，欢迎拨打021-62157100或通过官网留言与我们联系！

 

关于上海坤道

上海坤道成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌和专家级（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD、Flotherm Flexx、Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、硬件定制开发和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。

 

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