一种三维集成电路封装系统温度场的仿真方法

技术领域

本发明涉及集成电路温度场仿真技术领域，具体地，涉及一种三维集成电路封装系统温度场的仿真方法。

背景技术

在三维集成电路封装系统的热仿真和设计中，通常基于数值传热学方法进行温度场分析，研究三维集成电路芯片的材料、尺寸以及热源分布等因素对整体结构热点温度的影响，从而指导散热设计。在实施过程中，数值传热学方法需要对三维集成电路封装系统的整体结构进行网格划分，实现稳态热传导方程的空间离散，得到以空间中各个离散点温度值为未知向量的大型线性方程组，通过求解该方程组，获得整体结构的温度分布。

现有的技术方案存在两个主要问题：其一，在三维集成电路封装系统的热设计过程中，会频繁调整芯片的材料、尺寸以及热源分布等信息，以达到优化设计的目的，而每次改变芯片参数，均需要重复进行上述的整体结构网格划分和热传导方程求解，造成了计算资源的极大消耗，导致设计效率低下；其二，在三维集成电路封装系统的热设计过程中，人们重点关心的是含热源信息的三维集成电路芯片的热点温度，而封装及散热结构的具体热分布并不重要。因此，如何根据实际需求，通过有效的技术手段提高三维集成电路封装系统温度场的仿真效率，是实现高效优化设计的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种三维集成电路封装系统温度场的仿真方法，用于在三维集成电路芯片仿真和优化设计过程中，通过等效热边界条件代替传热特性保持不变的封装结构，从而避免对整体系统进行重复求解，显著提高仿真和设计效率。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种三维集成电路封装系统温度场的仿真方法，包括以下步骤：

根据三维集成电路封装系统的温度仿真需求，将整体对象分解为固定区域与关心区域；

对固定区域进行传热特性提取，建立相应的热阻网络衍生模型；

将热阻网络衍生模型转换为关心区域的等效热边界条件；

基于等效热边界条件，采用有限体积法计算关心区域的温度分布。

优选地，所述根据三维集成电路封装系统的温度仿真需求，将整体对象分解为固定区域与关心区域的步骤中，所述固定区域为温度仿真过程中传热特性保持不变的封装及散热结构，所述关心区域为含热源信息的三维集成电路芯片。

优选地，所述根据三维集成电路封装系统的温度仿真需求，将整体对象分解为固定区域与关心区域的步骤中，所述固定区域在传热过程中具备线性时不变系统的特征，所述关心区域在优化设计过程中可以修改芯片的材料属性、热源分布和几何拓扑，但不能影响它与固定区域的交界面尺寸和相对位置。

优选地，所述对固定区域进行传热特性提取，建立相应的热阻网络衍生模型的步骤中，所述热阻网络衍生模型的提取步骤如下：

第一步，将固定区域与关心区域的交界面设置为绝热边界条件，应用有限体积法求解固定区域内的稳态热传导方程，得到交界面上各面单元中心节点的温度值，记为交界面的绝热温度；

第二步，依次在交界面上的每个面单元上施加均匀的法向热流密度激励，而其它面单元上保持绝热边界条件，记录热流密度大小与交界面上各面单元中心节点温度值所构成的温度矩阵；

第三步，根据第一步中得到的交界面绝热温度与第二步中记录的热流密度大小与温度矩阵，计算转移热阻矩阵；

第四步，根据第三步中得到的转移热阻矩阵，生成热阻网络衍生模型。

优选地，所述将热阻网络衍生模型转换为关心区域的等效热边界条件的步骤中，所述等效热边界条件的构造步骤如下：

第一步，记录固定区域与关心区域的交界面上面单元中心的导热系数，面单元中心到相邻控制容积体心的距离；

第二步，根据第一步中记录的数据与所述提取得到的热阻网络衍生模型，并假设体心节点到交界面上面单元中心节点之间呈线性温度分布，构造面单元温度节点与体心温度节点之间的关系；

第三步，根据第二步中构造的面单元中心温度节点与体心温度节点之间的关系，进一步构造体心温度节点与边界面法向热流密度之间的关系，即等效热边界条件。

优选地，所述基于等效热边界条件，采用有限体积法计算关心区域的温度分布的步骤中，当关心区域内材料特性、热源分布和几何拓扑信息改变时，只要不影响交界面与固定区域的相对位置，可以复用等效热边界条件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.将三维集成电路封装系统分解为关心区域和固定区域，通过建立关心区域的等效热边界条件，仅对关心区域进行温度场分析，从而显著降低了求解未知量的个数，提高了仿真效率；

2.当三维集成电路封装系统的关心区域内材料特性、热源分布和几何拓扑等信息改变时，只要不影响交界面与固定区域的相对位置，关心区域的等效热边界条件保持不变，可以在温度场仿真中进行复用，从而显著提升仿真效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明三维集成电路封装系统温度场的仿真方法流程框图；

图2为本发明提出的区域分解策略示意图；

图3为本发明提出的热阻网络衍生模型示意图；

图4为一个具体实施例中三维集成电路封装系统几何结构示意图；

图5为一个具体实施例中不包含散热结构的三维集成电路封装系统剖面示意图；

图6为一个具体实施例中不同材料情况下热点温度随金属层厚度变化的曲线对比图；

图7为一个具体实施例中不同材料情况下热点温度随中间层芯片厚度变化的曲线对比图；

图8为一个具体实施例中不同材料情况下热点温度随粘合层厚度变化的曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

具体地，本发明提供一种三维集成电路封装系统温度场的仿真方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1：根据三维集成电路封装系统的温度仿真需求，将整体对象分解为固定区域与关心区域；

具体地，如图2所示，所述步骤S1中，固定区域为温度仿真过程中传热特性保持不变的封装及散热结构，包括材料特性与温度无关、边界条件保持不变等，具备线性时不变系统的特征；关心区域为含热源信息的三维集成电路芯片，其热点温度为热设计中重点关心的指标，可以修改芯片的材料属性、热源分布和几何拓扑等，但不能影响它与固定区域的交界面尺寸和相对位置。

S2：对固定区域进行传热特性提取，建立相应的热阻网络衍生模型；

具体地，所述步骤S2中，所述热阻网络衍生模型的提取步骤如下：

步骤S21，将固定区域与关心区域的交界面设置为绝热边界条件，应用有限体积法求解固定区域内的稳态热传导方程。假设空间离散后的交界面上有M个面单元，根据求解得到的固定区域内的温度分布，插值得到交界面上各面单元中心节点的温度值，记为交界面的绝热温度，将这M个温度值构成向量记为T

步骤S22，依次在交界面上的M个面单元上施加均匀的法向热流密度激励，而其它面单元上保持绝热边界条件，记录热流密度大小与交界面上各面单元中心节点温度值所构成的温度矩阵。将第i个面单元上施加的热流密度大小记为q

步骤S23，根据步骤S21中得到的交界面绝热温度与步骤S22中记录的热流密度大小与温度矩阵，计算转移热阻矩阵。即计算第i个面单元与第j个面单元之间的转移热阻R

重复上述过程，可构建M×M维的转移热阻矩阵R，从而得到交界面上全部M个面单元中心节点温度T与全部M个法向热流密度q之间的关系，如公式(2)所示：

T-T

步骤S24，根据步骤S23中得到的转移热阻矩阵，建立热阻网络衍生模型。该模型的局部电路结构如图3所示。

S3：将热阻网络衍生模型转换为关心区域的等效热边界条件；

具体地，所述步骤S3中的等效热边界条件的构造步骤如下：

步骤S31，记录固定区域与关心区域交界面上每个面单元中心的导热系数κ

步骤S32，根据步骤S31中记录的数据与步骤S2中提取得到的热阻网络衍生模型，并假设体心节点到交界面上面单元中心节点之间呈线性温度分布，构造面单元温度节点与体心温度节点之间的关系。将M个面单元中心节点温度构成的向量记为T

T

其中，I是一个M×M维的单位矩阵，E是一个M×M维的对角阵，具体计算方法如公式(4)所示：

步骤S33，根据步骤S32中构造的面单元中心温度节点与体心温度节点之间的关系，进一步构造体心温度节点与边界面法向热流密度之间的关系，即等效热边界条件。将M个面单元中心节点的法向热流密度记为q

q

S4：基于等效热边界条件，采用有限体积法计算关心区域的温度分布。

具体地，所述步骤S4中，基于等效热边界条件和有限体积法计算关心区域的温度分布，当关心区域内材料特性、热源分布和几何拓扑等信息改变时，只要不影响交界面与固定区域的相对位置，可以复用等效热边界条件，从而显著提升仿真效率。

根据上述本发明的仿真方法，对一个具体实施例进行计算。

下面结合附图，以图4所示的三维集成电路封装系统的热分析为例对技术方案的实施作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例为一个典型的三维集成电路封装系统，其几何结构与尺寸如图4所示。图5为不包含散热结构的三维集成电路封装系统剖面示意图。根据区域分解策略将其划分为两类区域，其中，关心区域为三维芯片，包含顶层芯片、金属层、中间层芯片与粘合层；固定区域包括封装基板、热界面材料和散热结构。本实施例基于等效热边界技术实现关心区域温度场的高效仿真，从而快速准确地评估关心区域中各层厚度与材料对区域中热点温度的影响。

在本实施例中，研究三维集成电路封装系统中的金属层、中间层芯片和粘合层的材料属性和厚度对关心区域热点温度的影响。其中，金属层材料分别采用金和硅金化合物，厚度区间为10μm至50μm，变化间隔为0.1μm；中间层芯片材料分别采用硅和碳化硅，厚度区间为100μm至500μm，变化间隔为1μm；粘合层材料分别采用铟、金锡合金和锡银合金，厚度区间为10μm至50μm，变化间隔为0.1μm。因此，为了满足上述分析需求，需要对1414种工况进行热仿真。

为验证本发明方法的有效性，分别采用本发明方法和传统有限体积法对上述1414种工况进行了热仿真。图6为当金属层材料分别是金和硅金化合物时，热点温度随金属层厚度变化的曲线对比图；图7为当中间层芯片材料分别是硅和碳化硅时，热点温度随中间层芯片厚度变化的曲线对比图；图8为当粘合层材料分别是铟、金锡合金和锡银合金时，热点温度随粘合层厚度变化的曲线对比图。

通过图6到图8中的仿真结果曲线对比，可以发现，本发明方法与传统有限体积法的计算结果非常吻合，充分验证了本发明方法的正确性。为了体现本发明方法的高效性，对上述1414种工况的热仿真总体时间进行了统计，本发明方法耗时4m 1s，传统有限体积法耗时10h 39m 26s，实现了159倍的加速效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。