半導體行業向復雜的2.5D和3D IC封裝快速發展，帶來了極嚴峻的熱管理挑戰，這需要從裸片層級到系統層級分析的復雜解決方案。西門子通過一套集成工具和方法來應對這些多方面的挑戰，這些工具和方法結合了先進的熱建模以及包括精確測量能力在內的穩健驗證方法。這種綜合方法使設計團隊能夠在設計流程的早期識別和緩解熱問題，同時優化所有集成層級的熱性能，以確保基于小芯片的復雜多裸片封裝能夠可靠運行。

序言：先進封裝中的熱挑戰

半導體行業向三維集成電路的演進代表著熱管理要求的根本轉變。傳統的2D單芯片IC熱分析主要通過簡單的設計規則和通常簡單的基于模板的模型構建解決方案來處理，但已不再適合當今復雜的架構。一直以來裸片和封裝是在兩個不同的開發流程中使用不同的工具集進行設計的。現代3D配置帶來了一系列新的熱挑戰，這就需要創新的設計工作流程，因為小芯片和封裝設計已緊密聯系在一起。

3D IC中有源裸片的垂直堆疊帶來了極嚴峻的功率密度挑戰。使用減薄的裸片（通常遠小于100微米）會使情況變得更加復雜，因為減薄的裸片會顯著降低裸片自身的橫向散熱能力，從而加劇熱點問題。當多個發熱層緊密相鄰放置時，通過復雜材料堆疊的有限散熱路徑會產生具有挑戰性的熱管理場景，必須仔細分析和解決。對于堆疊的HBM，來自相鄰緊密放置的發熱邏輯裸片的橫向熱流會使問題更加嚴重。

現代IC封裝中多樣的連接方式引入了額外的熱考量因素。硅通孔(TSV)充當層間的熱橋，會產生復雜的熱分布模式，必須精確建模。微凸塊陣列顯著影響局部熱阻，而混合鍵合界面引入了傳統封裝中不存在的新的熱考量因素。基于中介層的設計增加了熱路徑的復雜性，這需要設計和分析工具之間的協作來管理和了解其熱影響并優化性能。

隨著層數的增加，通常會出現硅和復合半導體技術的異質混合（具有不同的物理特性），材料和界面考量在先進封裝中變得愈發關鍵。對于某些材料，必須仔細考慮不同方向上的各向異性、不均勻熱導率，并且必須考慮材料屬性隨溫度變化的特性以對非線性行為進行建模。界面熱阻曾經是主要影響封裝邊界，現在已成為封裝結構中決定整體熱性能的關鍵因素。

圖1. 3D IC散熱的說明性示例。

為了應對這些極嚴峻的熱管理挑戰，西門子的重點已從設計特定的一流工具轉向創建集成的工作流程，以滿足各種用戶角色的需求：

不具備深厚熱學專業知識的封裝架構師和設計工程師現在需要能夠在架構設計階段早期快速評估熱影響并識別潛在的溫度限制因素。將設計數據轉換為熱模型和多物理場模型的過程自動化至關重要，這樣才能使這些非熱學專家無需依賴領域專家就能進行可行性研究。此外，這些大型3D設計的復雜性使得即使是經驗豐富的CFD工程師也很難從頭開始構建精確的熱模型，這進一步提高了自動化的價值。

西門子的解決方案包括Calibre 3DThermal軟件、Innovator3D IC解決方案和Simcenter Flotherm軟件，通過提供自動化工作流程來彌合電氣/封裝設計與熱分析之間的差距，從而應對這些挑戰。設計在Innovator3D IC中以單一數據源形式進行裝配和管理，并可在設計周期（從早期架構規劃到最終sign-off）中導出至Calibre 3DThermal進行熱分析。該工具為電氣設計師提供預期半導體結溫的快速精準反饋，以幫助其確保設計仍具有熱可行性，且無需脫離其慣用的設計環境。為了滿足熱分析師這一用戶角色的需求，這些熱模型可以導出到Simcenter Flotherm，在其中可以為封裝級熱模型添加PCB、散熱器、熱管和風扇等系統層級特性，以實現全面的系統層級熱分析和優化。這使得封裝架構師、設計工程師和熱學專家能夠更有效地協作，盡早發現和緩解熱問題，并在所有集成層級優化性能和冷卻解決方案成本。其目標是將熱學考量作為設計流程的組成部分，而非單獨的關注點，以確保復雜的多裸片封裝的可靠運行。

Calibre 3DThermal：

先進的硅層級熱建模

西門子已經開發出一套全面的解決方案，通過多種綜合方法解決這些熱挑戰。在裸片層級，該解決方案始于復雜的物理數據庫處理。Calibre 3DThermal是一款基于Calibre和Simcenter Flotherm等核心技術構建的新型工具，可以對LEF/DEF、GDS和OASIS文件進行先進解析，以提取詳細的裸片層級幾何形狀，從而實現精確的熱屬性映射和詳細的半導體層級熱模型創建。該過程包括智能層堆疊分析和熱點建模，同時納入對精確建模至關重要的特定工藝熱特性。該解決方案包括用于BEOL層建模的先進功能，可創建有效的熱導率模型，準確表示復雜的局部金屬和電介質結構。考慮到金屬密度和分布模式，每個層的熱屬性都是單獨計算的。該系統整合過孔模式和密度效應，以創建一個能反映實際行為的綜合熱模型，利用諸如材料映射（有效材料屬性提取）等與Simcenter Flotherm等系統層級工具兼容的技術。結合mPower，功率分析和映射功能可以提供有關熱負載的詳細見解。該系統從電路仿真數據生成綜合功率圖，納入開關活動信息以創建準確的動態功率分布。此分析包括統計功率分布考量，使設計人員能夠了解平均和峰值熱狀況。與Solido軟件配合使用時，Calibre 3DThermal可提供溫度信息，提高仿真及混合信號IC設計的SPICE仿真預測精度。3D IC設計具有極高的電流密度（達數百安培級別），因此該解決方案還提供先進焦耳熱分析功能。高分辨率電流密度映射與溫度相關電阻計算相結合，提供準確的自熱效應分析。該信息與配電網絡分析相結合，以呈現熱負載的整體情況。該系統的電熱仿真功能對于仿真電路尤其有價值，因為溫度效應會顯著影響其性能。該解決方案提供的耦合電熱分析結合了溫度相關的器件模型，并考慮了熱反饋回路。穩態和瞬態分析功能可確保對熱場景進行全面覆蓋，方法是導出包括局部器件溫度的反標SPICE網表，然后可供像Solido這樣的SPICE仿真器使用。為了支持對復雜的2.5D、3D結構及其封裝特征進行建模，需要詳細的設計幾何形狀，而不只是簡單的裸片表示。Calibre 3DThermal通過將3D堆疊定義與精確的設計幾何形狀相結合來創建高精確度3D IC模型，以解決整個結構中不均勻的材料屬性。此功能在分析封裝邊界及外部（如外部冷卻組件的模型）的熱路徑時尤為關鍵。

圖2. 使用詳細設計幾何形狀的高精確度芯片模型。

早期熱可行性分析是Calibre 3DThermal解決方案的另一個重要功能。該系統使設計人員能夠從設計的最早階段進行熱評估，從而使他們能夠在潛在的熱問題變成代價高昂的問題之前發現并解決它們。這種早期分析能力支持迭代設計方法，其中熱考量可以為整個開發過程中的設計決策以及電路板層級和系統層級的冷卻解決方案選擇提供信息和指導。

綜合設計流程集成

西門子熱管理解決方案的集成能力遠遠超出了基本的工具兼容性。這種集成的核心是各種設計工具之間的無縫工作流程，特別是Calibre 3DThermal和Innovator3D IC之間用于封裝層級架構和裝配的復雜交互。這種集成使設計師能夠在從初始概念到最終驗證的整個設計過程中保持一致性和精度。

圖3. 西門子集成的3D IC設計和熱分析流程。

這種集成方法的核心是管理封裝堆疊中所有結構組件的數字孿生。Innovator3D IC不僅是設計從裸片到環境的連接系統的理想工具，還保留了設計中每個物理元素的全面數字表示，確保熱模型準確反映正在開發的實際物理結構。這種數字孿生方法可以作為封裝結構元素的單一數據源，自動創建模型并降低熱分析中出現錯誤的可能性，從而使非熱學專家更容易進行高精確度分析。

圖4. Innovator3D IC中的先進封裝布局和連接關系。

該解決方案對不斷提高精確度的多次設計迭代的支持在現代IC封裝開發中尤為重要。可以使用簡化模型進行初步分析，以快速評估早期的布局規劃想法，而后續的迭代可以在有可用信息時不斷納入更詳細的信息。這種持續漸進的改進方法使設計人員能夠保持高效的工作流程（與實際設計流程一致），同時確保最終分析在設計最終流片前包含所有必要細節以實現準確熱預測。該系統與標準IC設計和布局布線工具的集成確保最終熱模型不僅涵蓋裸片細節，還能精確表征中介層和基板。此集成支持3DSTACK+格式和3Dblox設計，可與多種設計方法和工具兼容。由此形成一體化設計環境，用戶可為設計添加材料數據、功耗及邊界條件等熱屬性。此類信息與設計的幾何形狀及位置數據均可一鍵傳輸至Calibre 30Thermal進行自動化熱仿真。熱分析借由此方法成為設計流程的有機組成部分，而非單獨的考慮因素。

圖5. 對圖4所示設計進行的熱仿真結果。

圖6. 前面示例中所示設計的Simcenter Flotherm模型。

該工作流程的另一個重要特點是能夠在Calibre 3DThermal運行后導出FloXML或.pack文件，在設計的任何階段與Simcenter Flotherm完全兼容。該集成對處理多裸片或3D堆疊配置等先進半導體封裝的熱分析師尤為有利，因為可以根據實際設計數據自動建立模型。Simcenter Flotherm提供了全面的工具來管理這些復雜封裝的熱仿真，涵蓋封裝規模現象及其在系統層級環境中的相互作用。Simcenter Flotherm的功能包括對散熱路徑、氣流模式以及緊密排布元器件之間的熱耦合進行精確建模，這對于確保高密度電子組件的可靠性能至關重要。此外，Simcenter Flotherm可以連接到多物理場工作流程，從而能夠同時分析先進封裝設計中至關重要的熱、電和機械相互作用。通過FloXML自動生成詳細的熱模型，分析師可以輕松地將復雜的封裝幾何形狀和材料屬性導入Flotherm，而無需從頭開始重建模型。該工作流程不僅加速了仿真過程，而且通過保持設計和仿真模型之間的一致性提高了精度。此外，該解決方案能夠在不同工具和設計階段保持數據一致性，有助于防止因手動數據傳輸或轉換導致的常見錯誤。這種自動化數據處理確保熱分析結果能夠準確反映設計的當前狀態，即使設計經過多次迭代也是如此。除了能夠通過Calibre 3DThermal自動生成封裝層級熱模型以供Simcenter Flotherm使用之外，工作流程集成還可以提高這兩種設計環境的預測精度。Calibre 3DThermal和Simcenter Flotherm集成的另一優勢是Flotherm能夠確定Calibre 3DThermal可以使用的局部熱邊界條件。Flotherm可以分析封裝的熱環境，無論它是基于JEDEC標準條件還是3D空間中定制的、特定于應用的熱環境。這使得Calibre 3DThermal能夠更準確地表示封裝周圍的熱邊界條件，而非依賴對封裝表面傳熱系數的“經驗猜測”方法。在熱邊界條件確定方面的精度提升顯著增強了Calibre 3DThermal的溫度預測能力，使其能夠對3D IC封裝及其熱環境進行更可靠、更具代表性的熱分析。

圖7. Simcenter Flotherm和Calibre 3DThermal數據路徑。

測量和驗證

熱行為的理論分析必須輔以精確的測量和驗證能力，以確保設計成功。西門子的解決方案融合了以Simcenter Micred T3STER熱瞬態測試設備為中心的測量工具和方法，該設備可對復雜的半導體封裝和組件進行高精度熱特性分析，并已被證明適用于2.5D和3D IC封裝的特性分析。Simcenter Micred T3STER系統能夠精確測量熱瞬態響應，使設計人員能夠了解在實際工作條件下熱量在其設計中是如何傳導的。該能力在處理先進封裝配置時尤為重要，因傳統穩態測量可能無法揭示關鍵熱行為。該系統可在單次非破壞性測量中同時捕獲裸片層級微秒級快速熱事件，以及封裝與系統層級需數分鐘或數小時才能穩定的長期熱平衡。

圖8. Simcenter Micred T3STER熱測量工具。

原位材料屬性校準是測量和驗證過程的另一個關鍵方面。該解決方案能夠根據實際測量對熱模型進行微調，從而可以調整材料屬性和界面熱阻以匹配觀察到的行為。該校準過程對于實現準確的熱預測至關重要，因為由于工藝變化和界面效應，理論材料屬性往往與實際值不同。除硅基器件外，該系統還專門支持復合半導體元器件，特別是SiC和GaN器件，這些器件在電力電子應用中越來越重要，但也在被集成到異構封裝中。這些材料由于具有高功率密度和更高的工作溫度而帶來獨特的熱挑戰。該解決方案的測量能力經過專門調整，可處理這些材料的獨特特性，確保在各種工作條件下都能進行準確的熱特性分析。對于生產環境，該解決方案包括使用短脈沖測量的非破壞性熱完整性測試功能。這種方法使制造商能夠快速有效地驗證封裝器件的熱性能，而不會影響可靠性。所得數據可用于在器件部署到現場之前識別潛在的熱問題，從而降低與熱相關的故障風險。

系統層級集成

從元器件層級到系統層級熱分析的過渡是通過上述與Simcenter Flotherm的直接集成來實現的。此集成構建了涵蓋從單裸片特性到完整系統行為的全面熱分析環境。該組合解決方案使設計人員能夠了解他們的元器件在實際應用中的表現，同時考慮系統層級熱相互作用和冷卻解決方案。

元器件和系統層級分析工具之間的集成促進了IC和封裝設計團隊之間的協作工作流程。可以評估設計決策在多個集成層級上的影響，并且設計決策對所有相關方可見，從而確保某一層級的優化不會在另一層級引發問題。這種整體的熱管理方法可幫助團隊在滿足所有設計約束的同時實現較佳的熱性能。

系統層級集成的一個關鍵特征是生成邊界條件無關降階模型(BCI-ROM)。此類模型在保護知識產權并降低計算復雜性的同時，保持了詳細仿真的熱精度。BCI-ROM能夠在不泄露敏感設計細節的情況下進行高效的系統層級熱分析，使其成為在供應鏈中共享熱模型的理想選擇。半導體廠商無需擔憂IP問題，可直接將BCI-ROM交付給系統集成商用于其電路板層級和系統層級設計，從而推動在AI、機器學習、先進駕駛以及航空航天和國防應用中采用先進的封裝解決方案。獨特的是，Simcenter Flotherm不僅能夠創建供整個價值鏈使用的BCI-ROM模型，還可在電路板層級或系統層級仿真中直接應用此類模型。

圖 9. 裸片到系統的熱管理。

ECXML

在工具互操作性方面，西門子致力于維護一個開放的平臺。除了BCI-ROM模型的功能之外，您可能還需要共享詳細的建模數據以供非西門子工具包使用。為此，我們的熱分析工具提供了符合JEDEC JEP181標準的重要導出功能，JEDEC JEP181通常稱為ECXML（Electronics Cooling XML，電子冷卻XML），這是電子元器件熱模型交換的行業標準文件格式。到2018年，ECXML已成為事實上的標準，并于2020年正式發布為JEDEC標準。

ECXML提供了一種中立的、與廠商無關的格式，用于在不同的仿真工具和電子設計工作流程之間共享熱分析數據。JEP181可表示3D熱模型數據（從PCB和元器件到風扇和散熱器），實現仿真軟件互操作性，并為構建數字化電子供應鏈奠定基礎。