摘要
半导体行业向复杂的2.5D和3D IC封装快速发展，带来了极严峻的热管理挑战，这需要从裸片层级到系统层级分析的复杂解决方案。西门子通过一套集成工具和方法来应对这些多方面的挑战，这些工具和方法结合了先进的热建模以及包括精确测量能力在内的稳健验证方法。这种综合方法使设计团队能够在设计流程的早期识别和缓解热问题，同时优化所有集成层级的热性能，以确保基于小芯片的复杂多裸片封装能够可靠运行。
序言：先进封装中的热挑战
半导体行业向三维集成电路的演进代表着热管理要求的根本转变。传统的2D单芯片IC热分析主要通过简单的设计规则和通常简单的基于模板的模型构建解决方案来处理，但已不再适合当今复杂的架构。一直以来裸片和封装是在两个不同的开发流程中使用不同的工具集进行设计的。现代3D配置带来了一系列新的热挑战，这就需要创新的设计工作流程，因为小芯片和封装设计已紧密联系在一起。
3D IC中有源裸片的垂直堆叠带来了极严峻的功率密度挑战。使用减薄的裸片（通常远小于100微米）会使情况变得更加复杂，因为减薄的裸片会显著降低裸片自身的横向散热能力，从而加剧热点问题。当多个发热层紧密相邻放置时，通过复杂材料堆叠的有限散热路径会产生具有挑战性的热管理场景，必须仔细分析和解决。对于堆叠的HBM，来自相邻紧密放置的发热逻辑裸片的横向热流会使问题更加严重。
现代IC封装中多样的连接方式引入了额外的热考量因素。硅通孔(TSV)充当层间的热桥，会产生复杂的热分布模式，必须精确建模。微凸块阵列显著影响局部热阻，而混合键合界面引入了传统封装中不存在的新的热考量因素。基于中介层的设计增加了热路径的复杂性，这需要设计和分析工具之间的协作来管理和了解其热影响并优化性能。
随着层数的增加，通常会出现硅和复合半导体技术的异质混合（具有不同的物理特性），材料和界面考量在先进封装中变得愈发关键。对于某些材料，必须仔细考虑不同方向上的各向异性、不均匀热导率，并且必须考虑材料属性随温度变化的特性以对非线性行为进行建模。界面热阻曾经是主要影响封装边界，现在已成为封装结构中决定整体热性能的关键因素。
图1. 3D IC散热的说明性示例。
为了应对这些极严峻的热管理挑战，西门子的重点已从设计特定的一流工具转向创建集成的工作流程，以满足各种用户角色的需求：
不具备深厚热学专业知识的封装架构师和设计工程师现在需要能够在架构设计阶段早期快速评估热影响并识别潜在的温度限制因素。将设计数据转换为热模型和多物理场模型的过程自动化至关重要，这样才能使这些非热学专家无需依赖领域专家就能进行可行性研究。此外，这些大型3D设计的复杂性使得即使是经验丰富的CFD工程师也很难从头开始构建精确的热模型，这进一步提高了自动化的价值。
西门子的解决方案包括Calibre 3DThermal软件、Innovator3D IC解决方案和Simcenter Flotherm软件，通过提供自动化工作流程来弥合电气/封装设计与热分析之间的差距，从而应对这些挑战。设计在Innovator3D IC中以单一数据源形式进行装配和管理，并可在设计周期（从早期架构规划到最终sign-off）中导出至Calibre 3DThermal进行热分析。该工具为电气设计师提供预期半导体结温的快速精准反馈，以帮助其确保设计仍具有热可行性，且无需脱离其惯用的设计环境。为了满足热分析师这一用户角色的需求，这些热模型可以导出到Simcenter Flotherm，在其中可以为封装级热模型添加PCB、散热器、热管和风扇等系统层级特性，以实现全面的系统层级热分析和优化。这使得封装架构师、设计工程师和热学专家能够更有效地协作，尽早发现和缓解热问题，并在所有集成层级优化性能和冷却解决方案成本。其目标是将热学考量作为设计流程的组成部分，而非单独的关注点，以确保复杂的多裸片封装的可靠运行。
Calibre 3DThermal：先进的硅层级热建模
西门子已经开发出一套全面的解决方案，通过多种综合方法解决这些热挑战。在裸片层级，该解决方案始于复杂的物理数据库处理。Calibre 3DThermal是一款基于Calibre和Simcenter Flotherm等核心技术构建的新型工具，可以对LEF/DEF、GDS和OASIS文件进行先进解析，以提取详细的裸片层级几何形状，从而实现精确的热属性映射和详细的半导体层级热模型创建。该过程包括智能层堆叠分析和热点建模，同时纳入对精确建模至关重要的特定工艺热特性。
该解决方案包括用于BEOL层建模的先进功能，可创建有效的热导率模型，准确表示复杂的局部金属和电介质结构。考虑到金属密度和分布模式，每个层的热属性都是单独计算的。该系统整合过孔模式和密度效应，以创建一个能反映实际行为的综合热模型，利用诸如材料映射（有效材料属性提取）等与Simcenter Flotherm等系统层级工具兼容的技术。
结合mPower，功率分析和映射功能可以提供有关热负载的详细见解。该系统从电路仿真数据生成综合功率图，纳入开关活动信息以创建准确的动态功率分布。此分析包括统计功率分布考量，使设计人员能够了解平均和峰值热状况。与Solido软件配合使用时，Calibre 3DThermal可提供温度信息，提高仿真及混合信号IC设计的SPICE仿真预测精度。
3D IC设计具有极高的电流密度（达数百安培级别），因此该解决方案还提供先进焦耳热分析功能。高分辨率电流密度映射与温度相关电阻计算相结合，提供准确的自热效应分析。该信息与配电网络分析相结合，以呈现热负载的整体情况。
该系统的电热仿真功能对于仿真电路尤其有价值，因为温度效应会显著影响其性能。该解决方案提供的耦合电热分析结合了温度相关的器件模型，并考虑了热反馈回路。稳态和瞬态分析功能可确保对热场景进行全面覆盖，方法是导出包括局部器件温度的反标SPICE网表，然后可供像Solido这样的SPICE仿真器使用。
为了支持对复杂的2.5D、3D结构及其封装特征进行建模，需要详细的设计几何形状，而不只是简单的裸片表示。Calibre 3DThermal通过将3D堆叠定义与精确的设计几何形状相结合来创建高精确度3D IC模型，以解决整个结构中不均匀的材料属性。此功能在分析封装边界及外部（如外部冷却组件的模型）的热路径时尤为关键。
图2. 使用详细设计几何形状的高精确度芯片模型。
早期热可行性分析是Calibre 3DThermal解决方案的另一个重要功能。该系统使设计人员能够从设计的最早阶段进行热评估，从而使他们能够在潜在的热问题变成代价高昂的问题之前发现并解决它们。这种早期分析能力支持迭代设计方法，其中热考量可以为整个开发过程中的设计决策以及电路板层级和系统层级的冷却解决方案选择提供信息和指导。
综合设计流程集成
西门子热管理解决方案的集成能力远远超出了基本的工具兼容性。这种集成的核心是各种设计工具之间的无缝工作流程，特别是Calibre 3DThermal和Innovator3D IC之间用于封装层级架构和装配的复杂交互。这种集成使设计师能够在从初始概念到最终验证的整个设计过程中保持一致性和精度。
图3. 西门子集成的3D IC设计和热分析流程。
这种集成方法的核心是管理封装堆叠中所有结构组件的数字孪生。Innovator3D IC不仅是设计从裸片到环境的连接系统的理想工具，还保留了设计中每个物理元素的全面数字表示，确保热模型准确反映正在开发的实际物理结构。这种数字孪生方法可以作为封装结构元素的单一数据源，自动创建模型并降低热分析中出现错误的可能性，从而使非热学专家更容易进行高精确度分析。
图4. Innovator3D IC中的先进封装布局和连接关系。
该解决方案对不断提高精确度的多次设计迭代的支持在现代IC封装开发中尤为重要。可以使用简化模型进行初步分析，以快速评估早期的布局规划想法，而后续的迭代可以在有可用信息时不断纳入更详细的信息。这种持续渐进的改进方法使设计人员能够保持高效的工作流程（与实际设计流程一致），同时确保最终分析在设计最终流片前包含所有必要细节以实现准确热预测。
该系统与标准IC设计和布局布线工具的集成确保最终热模型不仅涵盖裸片细节，还能精确表征中介层和基板。此集成支持3DSTACK+格式和3Dblox设计，可与多种设计方法和工具兼容。由此形成一体化设计环境，用户可为设计添加材料数据、功耗及边界条件等热属性。此类信息与设计的几何形状及位置数据均可一键传输至Calibre 30Thermal进行自动化热仿真。热分析借由此方法成为设计流程的有机组成部分，而非单独的考虑因素。
图5. 对图4所示设计进行的热仿真结果。
图6. 前面示例中所示设计的Simcenter Flotherm模型。
该工作流程的另一个重要特点是能够在Calibre 3DThermal运行后导出FloXML或.pack文件，在设计的任何阶段与Simcenter Flotherm完全兼容。该集成对处理多裸片或3D堆叠配置等先进半导体封装的热分析师尤为有利，因为可以根据实际设计数据自动建立模型。Simcenter Flotherm提供了全面的工具来管理这些复杂封装的热仿真，涵盖封装规模现象及其在系统层级环境中的相互作用。Simcenter Flotherm的功能包括对散热路径、气流模式以及紧密排布元器件之间的热耦合进行精确建模，这对于确保高密度电子组件的可靠性能至关重要。此外，Simcenter Flotherm可以连接到多物理场工作流程，从而能够同时分析先进封装设计中至关重要的热、电和机械相互作用。
通过FloXML自动生成详细的热模型，分析师可以轻松地将复杂的封装几何形状和材料属性导入Flotherm，而无需从头开始重建模型。该工作流程不仅加速了仿真过程，而且通过保持设计和仿真模型之间的一致性提高了精度。此外，该解决方案能够在不同工具和设计阶段保持数据一致性，有助于防止因手动数据传输或转换导致的常见错误。这种自动化数据处理确保热分析结果能够准确反映设计的当前状态，即使设计经过多次迭代也是如此。
除了能够通过Calibre 3DThermal自动生成封装层级热模型以供Simcenter Flotherm使用之外，工作流程集成还可以提高这两种设计环境的预测精度。Calibre 3DThermal和Simcenter Flotherm集成的另一优势是Flotherm能够确定Calibre 3DThermal可以使用的局部热边界条件。Flotherm可以分析封装的热环境，无论它是基于JEDEC标准条件还是3D空间中定制的、特定于应用的热环境。这使得Calibre 3DThermal能够更准确地表示封装周围的热边界条件，而非依赖对封装表面传热系数的“经验猜测”方法。在热边界条件确定方面的精度提升显著增强了Calibre 3DThermal的温度预测能力，使其能够对3D IC封装及其热环境进行更可靠、更具代表性的热分析。
图7. Simcenter Flotherm和Calibre 3DThermal数据路径。
测量和验证
热行为的理论分析必须辅以精确的测量和验证能力，以确保设计成功。西门子的解决方案融合了以Simcenter Micred T3STER热瞬态测试设备为中心的测量工具和方法，该设备可对复杂的半导体封装和组件进行高精度热特性分析，并已被证明适用于2.5D和3D IC封装的特性分析。
Simcenter Micred T3STER系统能够精确测量热瞬态响应，使设计人员能够了解在实际工作条件下热量在其设计中是如何传导的。该能力在处理先进封装配置时尤为重要，因传统稳态测量可能无法揭示关键热行为。该系统可在单次非破坏性测量中同时捕获裸片层级微秒级快速热事件，以及封装与系统层级需数分钟或数小时才能稳定的长期热平衡。
图8. Simcenter Micred T3STER热测量工具。
原位材料属性校准是测量和验证过程的另一个关键方面。该解决方案能够根据实际测量对热模型进行微调，从而可以调整材料属性和界面热阻以匹配观察到的行为。该校准过程对于实现准确的热预测至关重要，因为由于工艺变化和界面效应，理论材料属性往往与实际值不同。
除硅基器件外，该系统还专门支持复合半导体元器件，特别是SiC和GaN器件，这些器件在电力电子应用中越来越重要，但也在被集成到异构封装中。这些材料由于具有高功率密度和更高的工作温度而带来独特的热挑战。该解决方案的测量能力经过专门调整，可处理这些材料的独特特性，确保在各种工作条件下都能进行准确的热特性分析。
对于生产环境，该解决方案包括使用短脉冲测量的非破坏性热完整性测试功能。这种方法使制造商能够快速有效地验证封装器件的热性能，而不会影响可靠性。所得数据可用于在器件部署到现场之前识别潜在的热问题，从而降低与热相关的故障风险。
系统层级集成
从元器件层级到系统层级热分析的过渡是通过上述与Simcenter Flotherm的直接集成来实现的。此集成构建了涵盖从单裸片特性到完整系统行为的全面热分析环境。该组合解决方案使设计人员能够了解他们的元器件在实际应用中的表现，同时考虑系统层级热相互作用和冷却解决方案。
元器件和系统层级分析工具之间的集成促进了IC和封装设计团队之间的协作工作流程。可以评估设计决策在多个集成层级上的影响，并且设计决策对所有相关方可见，从而确保某一层级的优化不会在另一层级引发问题。这种整体的热管理方法可帮助团队在满足所有设计约束的同时实现较佳的热性能。
系统层级集成的一个关键特征是生成边界条件无关降阶模型(BCI-ROM)。此类模型在保护知识产权并降低计算复杂性的同时，保持了详细仿真的热精度。BCI-ROM能够在不泄露敏感设计细节的情况下进行高效的系统层级热分析，使其成为在供应链中共享热模型的理想选择。半导体厂商无需担忧IP问题，可直接将BCI-ROM交付给系统集成商用于其电路板层级和系统层级设计，从而推动在AI、机器学习、先进驾驶以及航空航天和国防应用中采用先进的封装解决方案。独特的是，Simcenter Flotherm不仅能够创建供整个价值链使用的BCI-ROM模型，还可在电路板层级或系统层级仿真中直接应用此类模型。
图 9. 裸片到系统的热管理。
ECXML
在工具互操作性方面，西门子致力于维护一个开放的平台。除了BCI-ROM模型的功能之外，您可能还需要共享详细的建模数据以供非西门子工具包使用。为此，我们的热分析工具提供了符合JEDEC JEP181标准的重要导出功能，JEDEC JEP181通常称为ECXML（Electronics Cooling XML，电子冷却XML），这是电子元器件热模型交换的行业标准文件格式。到2018年，ECXML已成为事实上的标准，并于2020年正式发布为JEDEC标准。
ECXML提供了一种中立的、与厂商无关的格式，用于在不同的仿真工具和电子设计工作流程之间共享热分析数据。JEP181可表示3D热模型数据（从PCB和元器件到风扇和散热器），实现仿真软件互操作性，并为构建数字化电子供应链奠定基础。
