3D IC與先進封裝晶片的多物理模擬設計工具

【作者： 籃貫銘】

在半導體製造的發展上，除了不斷深探的微縮技術外，另一大方向便是先進封裝技術，而其重要性甚至還超過製程的微縮。因為它不僅可以提高晶片的效能、縮小體積、降低功耗，還可以實現更多功能，為電子產品的創新和發展帶來更多可能性。

而所謂的先進封裝（Advanced Packaging），是一種將多個晶片或元件整合到單一封裝中的技術，旨在提高效能、縮小體積、降低功耗，並實現更多功能。相較於傳統封裝，先進封裝採用更複雜的結構、材料和製程，以滿足現代電子產品對高整合度、高性能和小型化的需求。

先進封裝有以下幾個主要類型：

‧ 2.5D封裝（Interposer-based packaging）：把多個晶片透過矽中介層(interposer)連接在一起，實現高密度、高效能的互連。

‧ 3D封裝（3DstackedIC）：多個晶片垂直堆疊在一起，透過矽穿孔(TSV)連接，實現更小的體積和更短的訊號傳輸距離。

‧ 扇出型晶圓級封裝（Fan-out wafer-level packaging；FOWLP）：將晶片重新分佈到更大的面積上，實現更高的I/O密度和更好的散熱性能。

‧ 系統級封裝（System-in-package；SiP）：將多個不同功能的晶片（如處理器、記憶體、感測器等）整合到單一封裝中，實現更高的功能整合度。

所以從技術面來看，先進封裝可以應用許多的領域上，包含高效能運算（HPC）、人工智慧（AI）、5G通訊、行動裝置與物聯網設備等，以滿足這些應用對於高速、高傳輸頻寬與小體積的需求。

先進封裝晶片的設計挑戰

然而相較於傳統封裝，先進封裝技術的複雜度大幅提升，涉及到的物理現象也更加多元，尤其是將多個高性能、同質、異質的晶片進行組合和堆疊的時候。因此，多物理模擬在先進封裝設計中變得至關重要。

展開晶片先進封裝設計時，通常會面臨幾個問題，如下：

高密度、高複雜度設計

先進封裝通常會整合多個晶片，甚至不同製程的晶片，這導致電氣連接、訊號完整性、電源完整性等問題變得更加複雜；另一方面，先進封裝的結構更加複雜，幾乎皆是採行多層結構的設計，包括多層基板、多層重新分佈層（RDL）、矽中介層（interposer）等，使得熱傳導、應力分佈等問題。

多物理現象耦合

一個先進封裝晶片之中，必然會面臨多種物理現象的彼此干擾，包含電熱耦合：晶片運作時會產生大量熱量，而高溫又會影響電氣性能，因此需要同時考慮電場和溫度場的相互作用；熱應力耦合：溫度變化會導致材料膨脹或收縮，進而產生應力，應力又會影響材料的電氣和機械性能；電磁耦合：高速訊號傳輸會產生電磁干擾，影響訊號完整性。

可靠性問題

由於高密度、複雜度，加以複雜的物理場現象，因此先進封裝晶片經常會面臨可靠性的問題，包含熱失效：高溫會導致晶片和封裝材料老化、失效；機械失效：應力過大會導致晶片或封裝材料破裂、分層；電遷移：高電流密度會導致金屬導線中的原子遷移，最終導致開路或短路。

而為了克服以上的挑戰，縮減設計的時程並增加量產的良率，進而降低整體的生產成本，因此導入多物理模擬工具就是當前必然的設計流程。它不僅可以早期發現問題，同時還可以設計優化，提升先進封裝晶片的可靠度。

【欲閱讀更豐富的內容，請參閱2024.8(第393期)多物理模擬：裝置設計新解方CTIMES雜誌】