萧显君：芯片设计仿真学习是有法可循的

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导读：有的人把书读厚，有的人把书读薄。有的人为追求计算精度考虑所有物理场，有的人为追求计算速度网格数量优化到极限。时代在发展，技术在进步。如ANSYS、ABAQUS、CADENCE等等力学、电子仿真软件的发展，都向着“多能”迈进。比如ANSYS从固体力流体，从散热到电子，再从射频到芯片……

2019年4月22日，ANSYS和台积电宣布通过全新认证以及一系列全面的半导体设计解决方案帮助双方共同客户应对来自移动、网络、5G、人工智能（AI）、云计算以及数据中心应用下不断增长的新一代创新需求。这些尖端应用的发展正在刷新电源与热约束环境中的性能极限。

总之，软件发展方向决定的是市场方向，眼花缭乱的市场上，工程师必须要有一双慧眼去伪存真，仿真不仿假。芯片封装越来越复杂，功耗大、尺寸大、结构复杂、速度高，这几个方面特点越来越突出。

一、芯片设计与校核是一个系统工程

散热、力学、信号完整性是可靠性分析三大主要学科。它们互相牵绊，互相影响，往往一端刚平另一端又起。在大公司，这些不同学科往往分不同团队校核，他们只关注自己擅长的部分，只关心自己想要的结果。不同学科不同团队之间沟通往往不那么顺畅，因为他们作为那一根钉子，只关心自己领域扎的牢不牢。

芯片设计是一个系统工程，芯片校核也是。没有大局观要么固执己见，要么盲目让步，要做多次试验吃多次亏才会长记性，既如此，仿真的意义何在？

散热、力学、信号完整性，如果一个人这几个学科都有涉猎，明白基础理论，学会使用软件仿真，就可以设计多种试验帮助自己理解与学习，在工作中可以避免上述问题，得心应手。

比如一个高功率BGA封装计算芯片封装，首先肯定是考虑如何将电信号fan out，其次就是考虑散热，或者有时fan out根本不是问题，散热才是主要要考虑的。Fan out过程其实就是substrate design的layout过程，行与不行布线之后就知道。散热不是。为解决散热问题有很多选择方案，从低成本到高成本，从简单工艺到复杂，如何选，直接关系芯片成本以及可靠性。为了解决散热问题，比如不做molding做spreader，TIM1的选择，利用陶瓷基板等等。

当然，这些选择和力学以及信号完整性又息息相关。比如，使用spreader的话，Spreader的刚度和热膨胀系数都比较高，会不会造成Warpage问题？铟片导热最好，是TIM1的散热最佳选择。可是铟片比其他TIM1材料硬，而且厚度小。如果芯片Warpage导致铟片压裂DIE怎么办？

另外，BGA封装需要考虑回流焊的工况。大家都知道回流焊是要过接近260℃，甚至更高。如果芯片从260℃降低到室温，产生Warpage（翘曲）怎么办？翘曲直接影响焊接性能和solder的寿命。同时如上述分析，制约了某些散热元件的选用。再比如为了Warpage降低，往往希望能用厚一些基板。基板厚度增大，信号完整性怎么办？穿层往往是糟心信号的重要来源。

如今芯片速度越来越高，高速信号发展成为独立学科，在芯片设计行业越来越重要。以前主要用Wire Bonding工艺键合，如今由于金丝高速性能差导致在高速芯片里Flip Chip越来越受青睐。Wire Bonding工艺适应性好，尤其是在材料热膨胀系数（CTE）不匹配时候，更适应Warpage产生的应力。这就使力学性能和高速性能产出一组矛盾。另外，陶瓷基板是解决散热和力学问题的良药，但是其高k以及低密度使复杂封装以及高速封装望而却步。

二、芯片设计学习是有法可循的

大部分工程师都习惯于关于自己的领域，每次与其他专业工程师争论都没底气。即使如此，大家也都更愿意处于自己的舒适区，被温水煮熟，而不愿意跳出去获得更多知识，掌握更多信息，让设计更有效率，沟通更有价值。可能他们都觉得跨专业太难，工程经验也很难积累。

但学习都有方法。看起来学科千差万别，依我看都是公式和方程罢了。只要掌握了主要的，理解了精髓，每次讨论都知道其他学科的同事在聊些什么，同时学会一个仿真软件，把可能的结果复现一下。如此慢慢积累，几个学科知识都掌握自然不在话下。

简单举个各个学科耦合的例子。一个加热片，当然可以认为是一个简化的芯片。建模如下：

芯片的die就是类似如此模型，内部金属丝环绕，局部生热，周围SiO2或者其他介电材料包裹。要分析这个模型，肯定从电生热、热传导、热应力三部分进行。用ANSYS WORKBENCH做如下建模：

首先从SOLIDWORKS导入模型，然后用MAXWELL 3D进行电流分析，生成焦耳热分布：

生成的焦耳热用场积分器计算出来，然后导入ICEPAK。因为ICEPAK的模型需要简化转化，因此中间夹一个GEOMETRY模块。ICEPAK里面导入EM MAPPING即可将导入焦耳热分布。增加一个散热器之后，求解热分布：

紧接着将热分布导入STATIC STRUCTURAL模块，即结构力学计算，可以通过此热分布求解热变形和热应力：

三、芯片封装仿真分析进阶12讲

鉴于周围朋友对芯片封装仿真学习的迫切需要（相关学习资料少），以及仿真秀平台强烈邀请。自2020年6月开始，笔者就开始筹备芯片设计精品课。前期整理资料和撰写PPT是辛苦的，且经过多轮修改，终于在11月19日正式线上。目前尚未完结，上线课程时长1475分钟，且已加餐3期（我会根据VIP用户群的反馈来免费加餐，本套视频都是笔者在凌晨录制的）

以下是课程安排