先进封装浪潮下，华天科技封装仿真分析助力芯片量产提速
2023-08-24 16:07:21 集微网
先进封装日益成为超越摩尔定律和解决系统复杂性挑战的解决方案，然而封装结构越来越复杂的芯片在潜在的失效机理和模式方面也面临更多挑战。现代设计方法表明，产品设计虽然仅占整体产品成本的5%，但它却影响了整体成本的70%。潜在问题越早地得到解决，设计成本与周期的降低效果越明显，为此，在芯片设计公司面临日益增长的缩短开发周期、加快产品上市挑战，以及各类先进封装技术创新趋势下，仿真分析在封装设计阶段就应该进行，甚至前移到概念设计阶段的观念越来越深入人心。
(资料图)
作为国内封装企业龙头之一，华天科技早在2011年就率先成立仿真分析团队，使用业界先进的电子设计自动化及协同设计分析工具，从封装设计到生产加工、可靠性测试的各个阶段与客户、封装工程师紧密协作以提供电、热、力和模流方面的关键洞察，降低封装设计反复修改、测试、返工的风险。
芯片-封装-系统协同设计趋势下，仿真分析成重中之重
芯片封装向小型化、多引脚、高集成的方向持续演进，I/O数量也从过去几个引脚增加到现在数万个以上，异构集成、2.5D、3D、SiP技术让芯片封装结构更加集成化、复杂化。一个封装系统可能要同时面临电、热、应力、模流等多物理场耦合挑战，并且信号速率和芯片散热要求不断提高，结构也越来越复杂，发生翘曲、分层、开裂等失效问题的概率增加，使得封装设计的仿真分析的重要性也越来越高，业内需要越来越多的多物理场协同设计和仿真来共同应对这些挑战。
华天科技仿真分析团队成立十余年来，构建了业内最完善的电子设计自动化及协同设计分析工具平台。针对框架、基板、晶圆级封装， 该团队在芯片设计的产品layout阶段，就与芯片设计工程师进行双向协同设计，并使用各类仿真软件，对待封装芯片进行从封装级、板级到系统级全面的电、热、力、模流等仿真分析。
具体而言，华天科技的封装仿真可分析内容包括：
-电仿真。 随着工艺制程不断缩微，信号速率不断提高以及设计余量的不断减少，信号和电源完整性（SI/PI）成了封装设计的关键因素，是当今高速电子产品封装及系统设计必须保证的两大因素，SI/PI性能表现直接决定信号质量、电源质量从而影响数据的正确传输与系统误码率。华天科技可以进行封装及系统级电磁仿真分析，在高速DDR、HDMI、PCIE、SERDES等接口上有丰富的仿真经验，目前高速SERDES 56Gbps的产品已成功量产。电仿真重点关注电流密度、IR-Drop、电源噪声、PDN阻抗、RLC寄生参数、损耗、串扰、时延、眼图等方面的性能参数，通过仿真模拟提前发现潜在信号问题，规避设计的盲目性，协助设计进行产品性能优化，提高设计效率并缩短开发周期。
-热仿真。 主要对封装体内部温度分布进行分析，提供全面、准确的热性能参数和温度分布、散热瓶颈等信息，例如热阻参数、热流矢量图、电-热耦合仿真、系统级散热方案分析、封装温度分布云图、散热器选择等，并进行不同封装设计方案的热性能比对，提供散热优化方向。
-力学仿真。 主要解决封装过程中可能出现的结构力学问题，通过材料选择、设计优化、失效现象模拟等手段，预防封装翘曲、芯片分层、裂片等问题，根据结构及材料的仿真结果完成方案评估，给出可行性最优方案，从而节省封装成本和时间，提高封装可靠性。此外力学仿真也能针对产品失效表征，如产品断裂，芯片裂，分层等失效模式，通过分析结构和材料的应力水平和应力集中位置，判断产品失效原因。
-模流仿真。 芯片的塑封工序基本是以转注成型的方式，将裸片用环氧树脂材料进行注塑成型，模流仿真就是通过CAE软件对模具注塑的过程进行模拟，提供Wire sweep冲弯率分析、冲线分析、塑封填充分析、BUMP区域填充分析、导线架偏移分析等，为治具设计、材料设计/选择、制程参数等提供改善建议，为封装方案提供优化方向。
在芯片-封装-系统协同设计及优化对于打造具有市场竞争力的芯片产品变得越来越重要的今天，华天科技的仿真分析团队能够从早期阶段就帮助设计工程师评估不同的设计方案，提高设计效率，降低成本和风险。通过仿真评估设计性能，给出设计修改建议，优化封装方案，帮助设计团队为客户带来极具竞争力的封装方案，包括基板/框架/RDL设计；封装结构设计及BoM选型；制定封装设计流程，提升芯片封装良品率及降低芯片封装成本；为芯片顶层Die Pad排布、RDL及bump摆放提供优化建议等等，为客户提供丰富多样的基板类封装解决方案，以满足产品不同终端应用的可靠性需求。
先进封装挑战与日俱增，仿真分析各有侧重
先进封装技术在整个封装市场的占比稳步提升，集微咨询（JW Insights)数据显示，2022年，全球先进封装市场份额约为47.2%，预计到2026年将超过50%，增速超过行业平均水平。
华天科技认为，先进封装发展主要呈现出几大趋势。1.3D封装技术：通过垂直集成，3D封装可以显著提高集成度和性能，降低功耗。2.系统级封装：将多个芯片和无源元件集成在一个封装内，使之更接近完整的系统功能。3.柔性和可穿戴封装：随着可穿戴设备和柔性电子的兴起，柔性封装技术越来越受欢迎。4.高带宽和高频封装：5G和高性能计算需要更高的数据传输速率，推动了高带宽和高频封装技术的发展。 多样化的封装技术发展路径，对封装设计能力、仿真能力、设备平台、工艺能力等方面都带来极大挑战。
在仿真层面，各种先进封装技术有助于芯片中集成更多功能，但其紧凑的尺寸使热、电磁和电源等挑战更加复杂化，因而针对不同的封装结构和封装技术，封装仿真分析的重点和挑战也各不相同。例如逻辑芯片多考虑传输损耗、反射、干扰、延时、PDN及翘曲、芯片结温和热阻问题；存储芯片因芯片较薄、芯片堆叠层数多，需重点关注应力分布及翘曲，预防封装过程中的裂片；射频PA因SiP的方案集成的芯片和器件较多，需重点关注封装填充，主要是器件下方及FC芯片bump区域的填充和翘曲问题等等。
多年来，伴随着客户芯片设计能力的不断提升，华天科技的封装技术也在迅速向前推进，为应对共同的技术挑战，华天科技仿真分析团队数十位经验丰富的设计人员，将从芯片设计阶段就扮演好设计工程师的“顾问”，为他们预先排除尽可能多的潜在风险，以控制产生不必要成本的因素，从而支持客户为现有和新产品开发新一代封装设计提高产品质量、缩短产品开发周期、降低产品开发成本。
可以预见，在封装产品的设计、制造及可靠性设计优化过程中，跨阶段协作的多物理场可靠性预测及试验分析作为电子器件未来发展的重要方向，仿真将在提高设计可靠性和效率方面发挥至关重要的作用。华天科技也将不懈追求，打造更完善、更强大的封装协同设计仿真平台，帮助客户尽快达成量产目标，为中国半导体制造发展赋能。
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