CN117057298A - 一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，属于集成电路技术与信息技术的交叉领域。所述仿真设计方法根据常见三维异构集成系统级封装结构，结合使用多种模型简化手段和网格剖分手段，保证对不同尺度部件的兼容，在网格剖分结束后，进行收敛性验证，从总体上避免因网格引发的非理想离散误差；结合对材料赋予不同物理参数以及设定物理场传递关系两种手段实现对多个物理场的耦合计算，能够一次性输出全部所需物理场量；同时，通过设置时间因子可以满足不同物理场对时间尺度的要求。本发明从建模、网格剖分、耦合过程等多个角度出发，提高针对三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法的效率和可靠性。

Description

一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术与信息技术的交叉技术领域，特别涉及一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法。
背景技术
在过去的十年里，随着消费电子、人工智能、自动驾驶、物联网等市场的增长，推动了半导体节点迅速发展。同时，物理尺度和成本限制催生出了一种新的替代方案——三维异构集成系统级封装。通过系统级封装的先进工艺手段，融合体系架构、算法、微电子、微光子、微机电系统等五大要素，采用新的设计方法和制造方法实现多种功能、多种材料、多种制程裸芯片的异构集成，创造出接近片上系统外形的产品，同时具有更好的工艺兼容性、更低的总体成本、更高的灵活性和更短的研发周期，受到产品制造商、技术提供商和用户的广泛追求。
三维异构集成系统级封装相比传统半导体封装技术，除提供针对裸芯片的机械、热和电气保护外，还将在内部完成芯片间的互联。受到自身集成规模的影响，三维异构集成系统级封装具有极高的功率密度和功能密度，使其在架构合理性、散热有效性和结构可靠性等多方面存在设计难度。从物理现象发生机理的角度考虑，产品在实际工作中受到电磁场、温度场、流场和应力场的协同作用，且不同物理量相互依赖，表现为一个复杂的多物理场耦合模式，这要求必须同时实现对这些现象的分析，才能在设计时得到可靠的仿真结果。因此，若不能发展出针对三维异构集成系统级封装多物理现象的有效分析方法，将严重限制高性产品的开发与应用。
目前，针对三维异构集成系统级封装多物理场现象的仿真设计方法主要面临以下难点。
一是三维异构集成系统级封装内部结构整体表现出强烈的多尺度特点，为精确建模带来很大挑战。三维异构集成系统级封装总体及热管理结构尺寸通常为厘米级，而内部裸芯片、无源器件等通常为毫米级，键合线、垂直硅通孔、微凸点等关键互联结构通常为微米级，由于这些结构的分布并不均匀，使得需要进行完整建模才能反应封装总体的结构和物理信息，这导致多尺度现象异常突出，极大地增加了精确三维建模的难度。
二是在三维异构集成系统级封装工艺过程及工作过程，表现出强烈的多物理场耦合特点，为精确仿真带来很大挑战。异构系统将不同功能有源芯片和无源器件集成在一起，当接通电源时，由于焦耳热，系统中将出现热点和温度不均匀的情况；温度升高导致的与环境热对流现象；封装内部多种材料的热膨胀性能不匹配将进一步导致非均匀热膨胀；水分吸收/解吸还将引起附加的机械应力；在回流期间，除热应力与吸湿应力外，还将产生内部高蒸气压。这类热力失配是三维异构集成系统级封装产品发生电性能失效的根本原因。而由于耦合过程的复杂性、物理场发生时间的不匹配，准确预测整个时间周期内的上述物理过程存在很大难度。
由以上分析可知，由于多物理场和多尺度之间的强相互作用、建模和数据描述的复杂性、研究参数的数量众多以及控制仿真过程的必要性，开发精确、高效的多物理场仿真设计方法是保障三维异构集成系统级封装产品设计的关键支持技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，以解决当前集成电路领域中三维异构集成系统级封装多物理现象复杂且仿真精度和效率不高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，包括：
步骤一，三维异构集成系统级封装的几何建模：充分考虑三维异构集成系统级封装的物理结构，建立精确的几何模型，在垂直方向上还原其叠层关系，在水平方向上还原其内部裸芯片的布局关系；
步骤二，模型的简化、等效与修正：对几何模型进行必要的简化和等效，以在还原物理过程的前提下减少计算量；对几何模型进行必要的修正，以避免不必要的结构参与网格剖分和计算，以提高仿真效率；
步骤三，材料参数赋值：为上述几何模型赋予必要的材料参数，使其在物理场计算中表现出材料的特性，其中参数形式包含常数、各向异性、温度非线性、空间非线性，材料参数包含三维异构集成系统级封装多物理场特征的全部需求；
步骤四，物理条件约束：根据物理现象发生过程，对不同物理求解器添加物理约束条件；
步骤五，耦合关系建立：根据物理现象发生过程，指定耦合现象发生区域，在不同物理场之间建立耦合关系，明确物理量的传递方式，实现对耦合现象的描述；
步骤六，网格剖分：对上述几何模型进行网格剖分，实现空间离散；必要时，根据结构特征和物理场计算需求进行网格加密，以保证计算精度；
步骤七，稳态求解，验证网格收敛性；
步骤八，仿真求解，包括稳态和瞬态求解：在上述网格收敛的前提下，进行稳态和瞬态仿真，分析当前电磁场、温度场、流场和应力场的分布特性；
步骤九，布局优化：根据仿真结果优化裸芯片和无源器件的布局及布线情况，包括分散发热单元、均衡布线密度、优化部分材料手段，使三维异构集成系统级封装在电磁场、温度场、流场和应力场中均达到最优分布；
步骤十，结果后处理：对仿真结果进行后处理，以真实反映当前三维异构集成系统级封装的物理特性。
在一种实施方式中，对于不满足温度条件的三维异构集成系统级封装，在所述步骤九之后、步骤十之前，需外置热管理方案，使总体温度保持在可靠范围内；热管理结构包括散热翅片、风扇、均温板、石墨烯、微流道；所述热管理结构选取时，需综合考虑当前温度情况、使用环境、散热能力。
在一种实施方式中，所述步骤一包括：利用三维建模软件在直角坐标系下建立三维异构集成系统级封装的精确几何模型，包含基板、裸芯片、电阻/电容无源器件，这些结构使用均匀的长方体表述；注意包含镀层、键合线/微凸点微小尺度的关键互联结构；所建立的几何模型需完全反映器件的结构特征。
在一种实施方式中，所述步骤二中对几何模型进行必要的简化和等效包括以下方面：
对于存在对称性的三维异构集成系统级封装，标识其对称面，并沿对称面进行几何分割，仅保留其中一部分，删除对称体的另一部分；若存在多个对称面，需利用多个对称面进行几何分割，仅保留最小对称单元，之后，在上述对称面位置添加对称边界条件，并根据对称性设置边界条件的参数，以实现简化模型但不改变结构物理关系的目的；
对于相对薄层结构，根据几何尺度关系进行删减，并设置与原薄层水平结构一致的零厚度平面，施加边界条件等效原薄层的材料和结构特征，之后调整薄层厚度两侧结构的相对位置使其重叠，在保证物理场相对关系的前提下避免对多尺度结构的网格剖分；其中相对薄层结构是指厚度小于模型普遍厚度的1/50的结构；
对于再布线层、垂直硅通孔、扇入/扇出、微凸点与底填胶区域多种材料混合的微尺度结构，根据多物理场计算需求及涉及的参数进行等效计算，将其表示为材料单一的几何体；
所述步骤二中对几何模型进行必要的修正包括：删除对计算结果无影响的尖角结构、删除标注内容、将对计算结果无影响的90°圆角结构修正为直角、将细圆柱结构修正为正二十四棱柱或正三十六棱柱、将点接触修正为面接触或不接触。
在一种实施方式中，所述步骤四中，对于电磁场，涉及外部电流密度、电流源、电势、电绝缘、接地、法向电流密度、功率、边界电流源、接触阻抗、电屏蔽、电接触、周期性条件；对于温度场，涉及流入、流出、热通量、热接触、热绝缘、边界热源、温度、对称、周期性条件；对于流场，涉及入口、出口、壁面、压力点约束；对于应力场，涉及体载荷、外部应力-应变、重力、附加质量、固定约束、指定位移、指定速度、指定加速度、刚体运动抑制、刚性连接、边界载荷、周期性条件。
在一种实施方式中，所述步骤五中，涉及的三维异构集成系统级封装中的物理场包含电磁场、温度场、流场和应力场，它们之间的多物理耦合关系表现为：
(1)电磁-热耦合，有源器件的部分功率转化为欧姆损耗和介质损耗，引起温度升高；温度升高后引发材料参数的非线性特性，进而改变目标器件的电磁性能；仿真时，需指定发热单元及其功耗，明确材料参数的温度函数；功率损耗作为电磁场分析的输出量，作为温度场分析的输入量；温度场仿真输出温度分布，根据温度结果和材料参数的温度函数重新计算当前状态下的材料参数，再输入至电磁场，从而实现耦合；
(2)流-热耦合，温度升高引发材料参数的非线性特性，同时导致与周围环境发生热对流现象；仿真时，需指定固体和流体作用区域，指定流体区域初始温度状态，明确材料参数的温度函数；温度仿真输出温度分布，根据温度结果和材料参数的温度函数重新计算当前状态下固体区域和流体区域的材料参数，同时将温度分布输入流场，计算流场分布以及流体与固体间的热交换情况，更新温度分布，再传递回温度场为下一个循环的计算做准备；
(3)热-力耦合，温度升高后将引发材料参数的非线性特性，同时热膨胀系数的不匹配将导致的局部热应力；仿真时，需指定温度信息来源和目标单元，明确三维异构集成系统级封装的固定方式，温度仿真输出温度分布，输入应力场计算应力分布；
(4)力-电磁耦合，若目标结构受力过大将使发生形变，进一步将影响器件的电磁性能；仿真时，需指定会发生形变的潜在区域，根据形变结果，重新进行建模及网格剖分，输入电磁场进行仿真，得到当前结构下的电磁性能。
在一种实施方式中，所述步骤六中，剖分形式包括结构化网格和非结构化网格，控制网格特征尺寸的参数包括最大单元尺寸、最小单元尺寸、最大单元增长率、曲率因子、狭窄区域分辨率；加密方式包括非均匀网格、局部细化、边界层细化。
在一种实施方式中，所述步骤七包括：在当前几何结构、物理场信息即网格剖分方式的条件下进行稳态求解，之后细化网格，再次进行稳态求解，直至求解结果达到收敛，从而排除因空间离散引入的非物理误差；其中求解结果达到收敛为网格细化前后误差小于5％。
在一种实施方式中，所述步骤八中，进行瞬态仿真时，需根据物理现象持续时间设置起始时刻、时间步长和终止时刻，同时，还需要根据物理场在时间尺度上的变化关系，指定时间因子，以协调物理场的耦合过程。
本发明提供的一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，具有以下有益效果：
(1)所建立的建模和网格剖分方法，能够同时描述三维异构集成系统级封装中多种跨尺度部件的几何特征；本发明结合使用多种模型简化手段和网格剖分手段，保证对不同尺度部件的兼容。对于如薄层、细线等在某一维度上表现出微小尺度特征的结构，可使用边界条件进行等效简化，将三维问题转化为二维问题，明显提升计算效率；对于如小尺度裸芯片单元等多个维度上表现出微小尺度特征的结构，可使用非均匀网格和局部加密等手段从空间离散的角度进行精细化描述；对于如微凸点层、再布线层、垂直硅通孔层等混合材料的微小尺度结构，可以先从模型和参数的角度进行等效，再利用网格加密的手段加密。此外，在网格剖分结束后，进行收敛性验证可以从总体上避免因网格引发的非理想离散误差，从而严格保证仿真结果的可靠性。
(2)所建立的多物理场的耦合求解方法，能够同步求解三维异构集成系统级封装种的电磁场、温度场、流场和应力场的物理分布，准确当前器件的综合物理性能。本发明结合对材料赋予不同物理参数以及设定物理场传递关系两种手段实现对多个物理场的耦合计算，能够一次性输出全部所需物理场量。必要时，可选择其中某一物理场进行单独分析，或选择其中两个物理场进行耦合分析。同时，通过设置时间因子可以满足不同物理场对时间尺度的要求。所建立的多物理场的耦合求解方法使用灵活，能够配适三维异构集成系统级封装的设计需求，有助于在设计初期评估器件的各项物理性能，提高一次性设计成功率。
附图说明
图1为本发明提供的一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法流程示意图；
图2为针对三维异构集成系统级封装中的多物理现象建立的耦合关系示意图；
图3为具体实施方式中三维异构集成系统级封装在垂直方向上的架构示意图；
图4为具体实施方式中三维异构集成系统级封装在水平方向上的有源芯片和无源器件分布示意图；
图5为具体实施方式中依据建模流程建立的三维异构集成系统级封装的三维几何模型；
图6为具体实施方式中依据电磁-热耦合仿真设计方法计算得到的三维异构集成系统级封装的温度分布示意图；
图7为具体实施方式中依据流-热耦合仿真设计方法计算得到的三维异构集成系统级封装周围的流场温度分布示意图；
图8为具体实施方式中依据热-力耦合仿真设计方法计算得到的三维异构集成系统级封装内部最高温度点附近的芯片应力分布示意图；
图9为具体实施方式中依据热-力耦合仿真设计方法计算得到的三维异构集成系统级封装的结构形变量示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
当前三维异构集成系统级封装的高集成度不可避免地将造成一些潜在的可靠性风险，为了从多物理场耦合的角度充分描述这些风险点、解释风险发生的物理过程并在设计初期提供有效的解决方案，本发明基于有限元仿真及多物理耦合的思想提出一种能够充分描述三维异构集成系统级封装所涉及的电磁场、温度场、流场和应力场的耦合仿真设计方法，如图1所示为本发明的具体流程，包括如下步骤：
步骤一，三维异构集成系统级封装的几何建模。
利用三维建模软件在直角坐标系下建立三维异构集成系统级封装的精确几何模型，包含基板、裸芯片、电阻/电容等无源器件，这些结构通常使用均匀的长方体表述；特别注意包含镀层、键合线/微凸点等微小尺度的关键互联结构。所建立的几何模型需完全反映器件的结构特征，几何模型的准确是仿真结果可靠的基础保障。
步骤二，几何模型的简化、等效与修正。
对几何模型进行必要的简化与修正，以保证仿真效率，具体包括以下内容：
简化时，对于存在对称性的三维异构集成系统级封装，标识其对称面，并沿对称面进行几何分割，仅保留其中一部分，删除对称体的另一部分；若存在多个对称面，需利用多个对称面进行几何分割，仅保留最小对称单元，之后，在上述对称面位置添加对称边界条件，并根据对称性设置边界条件的参数，以实现简化模型但不改变结构物理关系的目的。
对于相对薄层结构，进行删减，并设置与原薄层水平结构一致的零厚度平面，施加边界条件等效原薄层的材料和结构特征，之后调整薄层厚度两侧结构的相对位置使其重叠，从而在保证物理场相对关系的前提下避免对多尺度结构的网格剖分。
对于再布线层、垂直硅通孔、扇入/扇出、微凸点与底填胶区域等多种材料混合的微尺度结构，根据多物理场计算需求及涉及的参数进行等效计算，将其表示为材料单一的几何体，材料参数形式可以为常数、各向异性、非线性等形式。例如对于再布线层，根据该结构内部布线形式以及金属线与塑封料的质量关系重新计算热导率，得到一个具有各向异性热导率的均质集合体，从而实现在降低网格剖分难度的同时对精细结构的等效和对物理场关系的还原。修正时，删除对计算结果无影响的尖角结构、删除压印/说明等标注内容、将对计算结果无影响的90°圆角结构修正为直角、将细圆柱结构修正为正二十四棱柱或正三十六棱柱、将点接触修正为面接触或不接触。
步骤三，材料参数赋值。
为上述几何模型赋予必要的材料参数，使其在物理场计算中表现出材料的特性，参数形式包含常数、各向异性、温度非线性、空间非线性等形式。对于电磁场相关计算，需包含电导率(单位：S/m)、相对介电常数(无量纲)、相对磁导率(无量纲)；对于温度场相关计算，需包含热容(单位：J/(kg·K))、密度(单位：kg/m3)、导热系数(单位：W/(m·K))、参考温度(单位：K)；对于应力场相关计算，需包含热膨胀系数(单位：1/K)、密度(单位：kg/m3)、杨氏模量(单位：Pa)、泊松比(单位：无量纲)、屈服强度(单位：Pa)；对于流场相关计算，需包含流体粘度(单位：Pa·s)、流体导热系数(单位：W/(m·K))、流体热容(单位：J/(kg·K))。上述参数选择可参考标准材料库、厂家材料信息和测试信息。
步骤四，物理条件约束。
根据物理现象发生过程，对不同物理求解器添加物理约束条件。对于电磁场，涉及外部电流密度、电流源、电势、电绝缘、接地、法向电流密度、功率、边界电流源、接触阻抗、电屏蔽、电接触、周期性条件等。对于温度场，涉及流入、流出、热通量、热接触、热绝缘、边界热源、温度、对称、周期性条件等。对于流场，涉及入口、出口、壁面、压力点约束等。对于应力场，涉及体载荷、外部应力-应变、重力、附加质量、固定约束、指定位移、指定速度、指定加速度、刚体运动抑制、刚性连接、边界载荷、周期性条件等。
步骤五，耦合关系建立。
根据物理现象发生过程，指定耦合现象发生区域，在不同物理场之间建立耦合关系，明确物理量的传递方式。本发明涉及的三维异构集成系统级封装中的物理场主要包含电磁场、温度场、流场和应力场，它们之间的多物理耦合关系如图2所示，主要表现为：
(1)电磁-热耦合，有源器件的部分功率将转化为欧姆损耗和介质损耗，从而引起温度升高；温度升高后将引发材料参数的非线性特性，进而改变目标器件的电磁性能。仿真时，需指定发热单元及其功耗，需明确材料参数的温度函数。功率损耗作为电磁场分析的输出量，作为温度场分析的输入量；温度场仿真输出温度分布，根据温度结果和材料参数的温度函数重新计算当前状态下的材料参数，再输入至电磁场，从而实现耦合。
(2)流-热耦合，温度升高将引发材料参数的非线性特性，同时导致与周围环境发生热对流现象。仿真时，需指定固体和流体作用区域，指定流体区域初始温度状态，明确材料参数的温度函数。温度仿真输出温度分布，根据温度结果和材料参数的温度函数重新计算当前状态下固体区域和流体区域的材料参数，同时将温度分布输入流场，计算流场分布以及流体与固体间的热交换情况，更新温度分布，再传递回温度场为下一个循环的计算做准备。
(3)热-力耦合，温度升高后将引发材料参数的非线性特性，同时热膨胀系数的不匹配将导致的局部热应力。仿真时，需指定温度信息来源和目标单元，明确三维异构集成系统级封装的固定方式，温度仿真输出温度分布，输入应力场计算应力分布。
(4)力-电磁耦合，若目标结构受力过大将使发生形变，进一步将影响器件的电磁性能。仿真时，需指定可能发生形变的潜在区域。根据形变结果，重新进行建模及网格剖分，输入电磁场进行仿真，从而得到当前结构下的电磁性能。
步骤六，网格剖分。
对上述几何模型进行网格剖分，实现空间离散。剖分形式包括结构化网格和非结构化网格，控制网格特征尺寸的参数包括最大单元尺寸、最小单元尺寸、最大单元增长率、曲率因子、狭窄区域分辨率。必要时，根据结构特征和物理场计算需求进行网格加密，加密方式包括非均匀网格、局部细化、边界层细化等，以保证计算精度。
步骤七，稳态求解，验证网格收敛性。
在当前几何结构、物理场信息即网格剖分方式的条件下进行稳态求解，之后细化网格，再次进行稳态求解，直至求解结果达到收敛(网格细化前后误差小于5％)，从而排除因空间离散引入的非物理误差。
步骤八，仿真求解，包括稳态和瞬态求解。
在上述网格收敛的前提下，进行稳态和瞬态仿真，分析当前电磁场、温度场和应力场的分布特性。进行瞬态仿真时，需根据物理现象持续时间设置起始时刻、时间步长和终止时刻，同时，还需要根据物理场在时间尺度上的变化关系，指定时间因子，以协调物理场的耦合过程。
步骤九，布局优化。
根据仿真结果优化裸芯片和无源器件的布局及布线情况，包括分散发热单元、均衡布线密度、优化部分材料等手段，使三维异构集成系统级封装在电磁场、温度场、流场和应力场中均达到最优分布。
步骤十，热管理方案设计。
对于不满足温度条件的三维异构集成系统级封装，需外置热管理方案，使总体温度保持在可靠范围内。热管理结构通常包括散热翅片、风扇、均温板、石墨烯、微流道等。结构选取时，需综合考虑当前温度情况、使用环境、散热能力等。
步骤十一，结果后处理。
对仿真结果进行后处理，以真实反映当前三维异构集成系统级封装的物理特性。结果形式包含一维结果(如两变量的变化关系等)、二维结果(如场云图、等值线、面上矢量分布等)、三维结果(如场云图、场切面图、场矢量图等)。
下面以一款三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计过程为例，说明本发明的具体实施方式及先进性。
步骤一：三维异构集成系统级封装的几何建模。三维异构集成系统级封装外形尺寸为20.00mm×20.00mm×1.28mm，为五层硅堆叠结构，每层硅厚250μm，且两面均施加3μm金涂层。不同层之间利用硅通孔技术实现垂直互联，裸芯装配在载板内的腔体中，以金线键合和倒装焊的方式与载板连接，总体剖面结构如图3所示，其水平布局如图4所示，涉及的单元包括GA系列芯片、GN系列芯片、Si系列芯片及无源器件。
步骤二，模型简化与修正。将3μm的金涂层等效为薄层边界条件，修正后得到的三维几何模型如图5所示。
步骤三，材料参数赋值。本实施例涉及的材料包括GaAs、GaN、Si、CuMo、Au、Cu、Al、空气等，涉及的材料参数包括密度(单位：kg/m3)、导热系数(单位：W/(m·K))、热膨胀系数(单位：1/K)、热容(单位：J/(kg·K))、杨氏模量(单位：Pa)、泊松比(单位：无量纲)、流体粘度(单位：Pa·s)、流体导热系数(单位：W/(m·K))、流体热容(单位：J/(kg·K))等。上述参数来源于参考标准材料库和厂家材料信息。
步骤四，物理条件约束。本实施例涉及的物理约束条件包括功率、热通量、热接触、温度、重力、固定约束、压力约束等。
步骤五，耦合关系建立。本实施例涉及的多物理耦合过程包括：电磁-热耦合，主要发热单元为GN和GA-1，热功耗分别为18.854W和1.318W；热-力耦合，根据三维异构集成系统级封装的温度分布，分析总体的应力分布，特别关注内部裸芯片的表面受力情况；流-热耦合，根据三维异构集成系统级封装的温度分布，分析与周围空气的对流现象以及热交换现象。
步骤六，网格剖分。本实施例采用正六面体网格(结构化网格)，并采用非均匀网格方式逐步对精细结构进行逼近，以同时满足对精度和效率的需求。
步骤七，稳态求解，验证网格收敛性。经过多次迭代，网格已达到收敛。
步骤八，稳态求解。分析电磁-热耦合条件下的温度分布、热-力耦合条件下的应力分布、流-热耦合条件下的固体和流体温度分布。
步骤九，布局优化。根据仿真结果优化裸芯片和无源器件的布局及布线情况。经过多次优化迭代，已达到各个物理场的最优分布，如图5所示的三维异构集成系统级封装即为布局优化后的结构。
步骤十，热管理方案设计。根据应用场景约束，将三维异构集成系统级封装装配在铝板表面，提高散热能力。仿真结果表明，三维异构集成系统级封装表面最高温度为137.76℃；周围流场表现为自然对流，流体最高温度约为112.18℃；内部最高温度点附近的芯片表面最大应力为132.83MPa；内部最大形变量为0.018mm。总体可以使满足热学和力学可靠性的要求。
步骤十一，结果后处理。输出当前多物理场仿真中的温度场、流场、应力场及形变的仿真结果，如图6至图9所示。
本发明的方法将为产品开发的各个环节提供必要的理论支撑和高效的仿真手段，有助于提升产品的可靠性、成品率和成本效益。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，包括：
步骤一，三维异构集成系统级封装的几何建模：充分考虑三维异构集成系统级封装的物理结构，建立精确的几何模型，在垂直方向上还原其叠层关系，在水平方向上还原其内部裸芯片的布局关系；
步骤二，模型的简化、等效与修正：对几何模型进行必要的简化和等效，以在还原物理过程的前提下减少计算量；对几何模型进行必要的修正，以避免不必要的结构参与网格剖分和计算，以提高仿真效率；
步骤三，材料参数赋值：为上述几何模型赋予必要的材料参数，使其在物理场计算中表现出材料的特性，其中参数形式包含常数、各向异性、温度非线性、空间非线性，材料参数包含三维异构集成系统级封装多物理场特征的全部需求；
步骤四，物理条件约束：根据物理现象发生过程，对不同物理求解器添加物理约束条件；
步骤五，耦合关系建立：根据物理现象发生过程，指定耦合现象发生区域，在不同物理场之间建立耦合关系，明确物理量的传递方式，实现对耦合现象的描述；
步骤六，网格剖分：对上述几何模型进行网格剖分，实现空间离散；必要时，根据结构特征和物理场计算需求进行网格加密，以保证计算精度；
步骤七，稳态求解，验证网格收敛性；
步骤八，仿真求解，包括稳态和瞬态求解：在上述网格收敛的前提下，进行稳态和瞬态仿真，分析当前电磁场、温度场、流场和应力场的分布特性；
步骤九，布局优化：根据仿真结果优化裸芯片和无源器件的布局及布线情况，包括分散发热单元、均衡布线密度、优化部分材料手段，使三维异构集成系统级封装在电磁场、温度场、流场和应力场中均达到最优分布；
步骤十，结果后处理：对仿真结果进行后处理，以真实反映当前三维异构集成系统级封装的物理特性。
2.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，对于不满足温度条件的三维异构集成系统级封装，在所述步骤九之后、步骤十之前，需外置热管理方案，使总体温度保持在可靠范围内；热管理结构包括散热翅片、风扇、均温板、石墨烯、微流道；所述热管理结构选取时，需综合考虑当前温度情况、使用环境、散热能力。
3.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，所述步骤一包括：利用三维建模软件在直角坐标系下建立三维异构集成系统级封装的精确几何模型，包含基板、裸芯片、电阻/电容无源器件，这些结构使用均匀的长方体表述；注意包含镀层、键合线/微凸点微小尺度的关键互联结构；所建立的几何模型需完全反映器件的结构特征。
4.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，所述步骤二中对几何模型进行必要的简化和等效包括以下方面：
对于存在对称性的三维异构集成系统级封装，标识其对称面，并沿对称面进行几何分割，仅保留其中一部分，删除对称体的另一部分；若存在多个对称面，需利用多个对称面进行几何分割，仅保留最小对称单元，之后，在上述对称面位置添加对称边界条件，并根据对称性设置边界条件的参数，以实现简化模型但不改变结构物理关系的目的；
对于相对薄层结构，根据几何尺度关系进行删减，并设置与原薄层水平结构一致的零厚度平面，施加边界条件等效原薄层的材料和结构特征，之后调整薄层厚度两侧结构的相对位置使其重叠，在保证物理场相对关系的前提下避免对多尺度结构的网格剖分；其中相对薄层结构是指厚度小于模型普遍厚度的1/50的结构；
对于再布线层、垂直硅通孔、扇入/扇出、微凸点与底填胶区域多种材料混合的微尺度结构，根据多物理场计算需求及涉及的参数进行等效计算，将其表示为材料单一的几何体；
所述步骤二中对几何模型进行必要的修正包括：删除对计算结果无影响的尖角结构、删除标注内容、将对计算结果无影响的90°圆角结构修正为直角、将细圆柱结构修正为正二十四棱柱或正三十六棱柱、将点接触修正为面接触或不接触。
5.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，所述步骤四中，对于电磁场，涉及外部电流密度、电流源、电势、电绝缘、接地、法向电流密度、功率、边界电流源、接触阻抗、电屏蔽、电接触、周期性条件；对于温度场，涉及流入、流出、热通量、热接触、热绝缘、边界热源、温度、对称、周期性条件；对于流场，涉及入口、出口、壁面、压力点约束；对于应力场，涉及体载荷、外部应力-应变、重力、附加质量、固定约束、指定位移、指定速度、指定加速度、刚体运动抑制、刚性连接、边界载荷、周期性条件。
6.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，所述步骤五中，涉及的三维异构集成系统级封装中的物理场包含电磁场、温度场、流场和应力场，它们之间的多物理耦合关系表现为：
(1)电磁-热耦合，有源器件的部分功率转化为欧姆损耗和介质损耗，引起温度升高；温度升高后引发材料参数的非线性特性，进而改变目标器件的电磁性能；仿真时，需指定发热单元及其功耗，明确材料参数的温度函数；功率损耗作为电磁场分析的输出量，作为温度场分析的输入量；温度场仿真输出温度分布，根据温度结果和材料参数的温度函数重新计算当前状态下的材料参数，再输入至电磁场，从而实现耦合；
(2)流-热耦合，温度升高引发材料参数的非线性特性，同时导致与周围环境发生热对流现象；仿真时，需指定固体和流体作用区域，指定流体区域初始温度状态，明确材料参数的温度函数；温度仿真输出温度分布，根据温度结果和材料参数的温度函数重新计算当前状态下固体区域和流体区域的材料参数，同时将温度分布输入流场，计算流场分布以及流体与固体间的热交换情况，更新温度分布，再传递回温度场为下一个循环的计算做准备；
(3)热-力耦合，温度升高后将引发材料参数的非线性特性，同时热膨胀系数的不匹配将导致的局部热应力；仿真时，需指定温度信息来源和目标单元，明确三维异构集成系统级封装的固定方式，温度仿真输出温度分布，输入应力场计算应力分布；
(4)力-电磁耦合，若目标结构受力过大将使发生形变，进一步将影响器件的电磁性能；仿真时，需指定会发生形变的潜在区域，根据形变结果，重新进行建模及网格剖分，输入电磁场进行仿真，得到当前结构下的电磁性能。
7.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，所述步骤六中，剖分形式包括结构化网格和非结构化网格，控制网格特征尺寸的参数包括最大单元尺寸、最小单元尺寸、最大单元增长率、曲率因子、狭窄区域分辨率；加密方式包括非均匀网格、局部细化、边界层细化。
8.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，所述步骤七包括：在当前几何结构、物理场信息即网格剖分方式的条件下进行稳态求解，之后细化网格，再次进行稳态求解，直至求解结果达到收敛，从而排除因空间离散引入的非物理误差；其中求解结果达到收敛为网格细化前后误差小于5％。
9.如权利要求1所述的三维异构集成系统级封装的多物理场仿真设计方法，其特征在于，所述步骤八中，进行瞬态仿真时，需根据物理现象持续时间设置起始时刻、时间步长和终止时刻，同时，还需要根据物理场在时间尺度上的变化关系，指定时间因子，以协调物理场的耦合过程。
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