本發(fā)明屬于先進(jìn)封裝，涉及2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)物理場耦合特性分析方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體工藝尺寸逐漸接近其物理極限，半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”。然而，隨著高性能計(jì)算(hpc,high-performancecomputing)，人工智能(ai,artificial?intelligence)，5g等應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，對(duì)高帶寬，高計(jì)算功率，低延遲，低功耗的需求愈加強(qiáng)烈。為了解決上述問題，業(yè)界提出了2.5dchiplet先進(jìn)封裝技術(shù)，作為延續(xù)摩爾定律的重要手段。

2、2.5d?chiplet先進(jìn)封裝技術(shù)能夠大幅度提升多芯片，元器件的集成密度，實(shí)現(xiàn)芯片之間的堆疊和垂直互連，可以滿足芯片的小型化、多功能化、異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件集成的需求。但是，由于chiplet封裝結(jié)構(gòu)擁有更高的集成密度，導(dǎo)致芯片在正常工作時(shí)單位面積的熱流密度增大，有效散熱面積降低，使整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械穩(wěn)定性和熱電可靠性受到極大考驗(yàn)。另外，集成密度的提升會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部電流密度的急劇上升，并伴隨溫度的急劇升高，會(huì)加速晶體管以及互連線的老化，從而降低設(shè)備和互連線的壽命，并且在高電流密度區(qū)域，還需要面臨電遷移等問題。此外，大的溫度梯度和材料之間不匹配的熱膨脹系數(shù)(cte，coefficient?ofthermal?expansion)會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)引力，導(dǎo)致整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生翹曲，焊球脫落等問題。因此，針對(duì)2.5d封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行多物理場耦合分析是十分重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)物理場耦合特性分析方法，該方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)芯片上的溫度場和力場分布，便于封裝結(jié)構(gòu)的熱分析。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)物理場耦合特性分析方法，具體包括如下步驟：

3、步驟1，對(duì)2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)添加固體傳熱物理場接口、固體力學(xué)物理場接口和一個(gè)熱膨脹物理場接口；

4、步驟2，對(duì)固體傳熱物理場接口添加邊界條件，獲取2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)的溫度分布情況；

5、步驟3，基于固體力學(xué)物理場接口求解2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)的形變和應(yīng)力分布情況；

6、步驟4，通過膨脹物理場接口將固體傳熱物理場接口和固體力學(xué)物理場接口進(jìn)行耦合；

7、步驟5，對(duì)2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲取2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力和形變分布情況。

8、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

9、步驟1中，2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)包括三層，頂層包括沿水平方向設(shè)置的兩個(gè)存儲(chǔ)芯片和邏輯芯片，邏輯芯片位于兩個(gè)存儲(chǔ)芯片之間；中間層包括從上到下依次設(shè)置的上二氧化硅層、硅中間層和下二氧化硅層，硅中間層內(nèi)設(shè)有tsv陣列；底層包括水平設(shè)置的基板。

10、存儲(chǔ)芯片與上二氧化硅層之間通過焊球a連接；邏輯芯片與上二氧化硅層之間通過焊球b連接，下二氧化硅層與基板之間通過焊球c連接。

11、兩個(gè)存儲(chǔ)芯片、邏輯芯片所使用的材料為硅；基板的材料為fr4；焊球a、焊球b、焊球c的材料均為64sn-40pb；tsv的材料為銅。

12、步驟2的具體過程為：

13、步驟2.1，對(duì)固體傳熱物理場接口添加如下邊界條件：

14、a)在兩個(gè)存儲(chǔ)芯片a、邏輯芯片上添加固定的熱源q；

15、b)設(shè)定固體傳熱物理場接口添加邊界條件的工作溫度te；

16、c)在整個(gè)2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)外表面添加熱通量邊界條件，即傳熱系數(shù)h；

17、步驟2.2，根據(jù)步驟2.1設(shè)置的邊界條件a)～c)求解如下固體傳熱多物理場接口所涉及的傳熱方程，得到2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)的溫度t的分布情況：

18、ρcpu▽t+▽·(-k▽t)＝q?(1)

19、式中，ρ表示材料密度，cp表示材料的恒壓熱容，u代表速度場，一般是直接定義或者是來自其它物理場接口，▽t代表溫度梯度，k表示材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

20、熱通量邊界條件中所涉及的方程為：

21、-n·(-k▽t)＝h(te-t)?(2)

22、式中，n為物理場內(nèi)部參數(shù)。

23、步驟3的具體過程為：

24、步驟3.1，由于整個(gè)2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)整個(gè)2.5dchiplet結(jié)構(gòu)沿四分之一分割線oe和of進(jìn)行切割，并在切割面添加對(duì)稱邊界條件；

25、步驟3.2，針對(duì)步驟3.1劃分的四分之一2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)，在基板的其中一個(gè)頂點(diǎn)d處添加指定位移，沿著d點(diǎn)在x和y方向位移為自由形變，沿著d點(diǎn)在z方向的位置保持不動(dòng)；

26、步驟3.3，基于步驟3.2設(shè)置的條件，求解如下方程(3)～(5)，得到整個(gè)2.5dchiplet結(jié)構(gòu)上的形變和應(yīng)力分布情況：

27、固體力學(xué)物理場接口的穩(wěn)態(tài)方程：

28、-▽s＝f?(3)

29、式中，▽表示梯度，s表示應(yīng)力，f表示體積力；

30、hooke定律方程：

31、s-(s0+sext+sq)＝c:(ε-(ε0+εth+εhs+εpl+εcr))?(4)

32、式中，s表示應(yīng)力，s0表示預(yù)應(yīng)力，sext表示外部應(yīng)力，sq表示粘性應(yīng)力，c表示彈性矩陣，ε表示彈性應(yīng)變，ε0表示預(yù)應(yīng)變，εth表示熱應(yīng)變，εhs表示浸潤膨脹；εpl表示塑性應(yīng)變，εcr表示蠕變，其中εpl、εcr僅針對(duì)非線性結(jié)構(gòu)材料；

33、應(yīng)變與位移關(guān)系方程：

34、

35、式中，表示位移，▽表示梯度。

36、步驟4的具體過程為：

37、將步驟2得到的2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)的溫度t作為載荷，通過熱膨脹物理場接口將的固體傳熱物理場接口和固體力學(xué)物理場接口進(jìn)行耦合，該熱膨脹物理場接口所涉及的方程如下：

38、εth＝α(t)(t-tref)?(6)

39、式中，α表示熱膨脹系數(shù)，tref表示體積參考溫度。

40、本發(fā)明的有益效果如下：

41、(1)本發(fā)明首先通過建立2.5d封裝結(jié)構(gòu)模型，然后將建立好的模型放入comsol軟件中的固體力學(xué)多物理場接口、固體傳熱多物理場接口以及熱膨脹多物理場接口進(jìn)行耦合仿真分析，最終得到整個(gè)結(jié)構(gòu)上的溫度分布、應(yīng)力分布和變形情況。

42、(2)由于2.5d?chiplet結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)擁有更高的集成度，高的集成密度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部電流密度的急劇上升，導(dǎo)致溫度的急劇升高，這將會(huì)加速晶體管以及互連線的老化，從而降低設(shè)備和互連線的壽命，并且高溫也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生翹曲等可靠性問題。本方法可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)上的溫度分布、應(yīng)力分布和變形情況，基于所得到的溫度、應(yīng)力和形變結(jié)果，可以指導(dǎo)我們對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析和應(yīng)力分析，可用于輔助2.5dchiplet結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提升整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。