了解高頻半導體器件各個元件之間的電磁 （EM） 耦合對于滿足設計規范和確保現場可靠運行至關重要。這些電磁相互作用不僅包括硅芯片，還延伸到封裝它的封裝。然而，可能只有在項目接近尾聲時，IC或系統設計人員才能創建和仿真同時包含片上金屬和封裝層的EM模型。在片上金屬模型中加入封裝層會導致性能下降，從而導致違反規范的情況并不少見。為了避免這種情況，Ansys提供了一種解決方案，可以輕松地將封裝層添加到硅技術的金屬堆疊中，以便在設計過程的早期提取具有片上層和封裝層的完整模型。

Ansys的片上電磁分析工具套件可在LVS前設計階段（Ansys RaptorX?）和LVS后簽核階段（Ansys Exalto?）的IC布局上運行。芯片分析可以包括部分封裝布局和/或封裝層，以提取完整的EM模型，該模型可以使用SPICE電路仿真器進行仿真。Ansys工具依賴于有關每層制造中使用的互連工藝技術的精確信息。硅晶圓代工廠以各種格式提供工藝信息，包括設計規則手冊（DRM）和技術文件（如iRCX、ITF和ICT文件），這些文件可能是未加密的，也可能是加密的。捕獲技術堆棧的過程通過將晶圓代工廠提供的工藝技術信息映射到OpenAccess或GDSII流格式的物理布局信息上，編譯一系列Ansys格式的技術文件（見圖1）。這些編譯的技術文件還支持其他Ansys片上EM工具，包括AnsysVeloceRF?（電感器件布局綜合）和Ansys RaptorQu?（用于超導量子設計）。

RaptorX是一款硅優化的電磁求解器，它帶有一個非常有用的向導，稱為Process Configurator，可以輕松創建和修改Ansys技術文件，即使對于復雜的芯片封裝配置也是如此。如圖1所示，Process Configurator創建的Ansys技術文件可以僅包含晶圓代工廠金屬疊層，也可以包含晶圓代工廠金屬疊層以及選定的附加封裝層。鑄造廠金屬堆疊的工藝配置器向導的輸入是鑄造廠提供的工藝信息。如果需要共提取裸片層和封裝層，則還需要包含目標層的封裝層信息。

圖1：Ansys Process Configurator向導使設計人員能夠輕松控制芯片封裝配置，并實現假設分析

如果晶圓代工技術文件未加密，或者封裝層信息未加密，則Process Configurator向導將允許您通過編輯芯片和/或封裝層的屬性并編譯不同版本的Ansys技術文件來探索各種與工藝相關的“假設”場景。工藝配置器允許設計人員添加或減少基板、背板、導體、電介質和通孔，包括硅通孔 （TSV）。可以使用 Process Configurator 編輯的技術屬性包括金屬厚度、金屬電導率、介電厚度和介電常數。為了完成Ansys技術文件，編譯器還需要GDS流層映射文件和層映射信息。

為“假設”實驗修改未加密技術的一些示例包括：

修改基板厚度和性能，以探索通過基板耦合的影響

在探索性 3DIC 堆疊中添加 TSV

為晶圓上晶圓 （WoW） 技術設置技術文件

添加封裝層以查看它們對 EM 設備的影響 - 如以下示例所示

Process Configurator 的輸入文件和信息可以使用 UI 和批處理模式命令腳本進行處理。Process Configurator的輸出是Ansys EM工具套件使用的已編譯的Ansys過程技術文件。Process Configurator 具有非常有用的功能，可以可視化技術橫截面，從而輕松驗證技術層的正確順序和連通性。未加密的技術層屬性（如厚度、電阻率和介電常數）也會顯示在橫截面查看器中。如果該技術是加密的，則橫截面查看器會顯示層序列和連通性，但層厚度不會縮放，并且不會報告材料屬性。

下面的圖 2 顯示了一個虛構的示例技術文件的堆疊。左圖顯示底層的襯底特性、從襯底開始的累積層高、左側的層和通孔名稱，以及介電厚度和介電常數（er） 在右邊。右面板中的導體部分列出了導體的厚度和電阻率 （r），過孔部分顯示了通孔電阻和面積。

圖 2：Process Configurator 顯示未加密的硅堆疊示例，其中報告了所有參數，并按比例顯示了導體厚度

下面圖 3 中的紅色框突出顯示了已添加到堆疊中的通孔層和封裝層。這種疊加（包括封裝層和通孔）用于以下段落中描述的仿真結果，這些段落顯示了封裝層如何影響 EM 器件的性能。

圖 3：未加密的芯片堆疊示例，其中添加了紅色框中突出顯示的封裝層

為了說明如何使用Process Configurator來探索封裝對芯片的影響，我們創建了一個簡單的布局示例：它由一個EM器件（一個單端八角形螺旋電感器）組成，該器件是使用RaptorX提取的。然后，在SPICE級電路仿真器中對得到的電氣模型進行仿真，以分析性能，然后首先在其上方放置封裝層，然后再次不使用封裝層。下面的圖4顯示了RaptorX的物理網格，用于不帶封裝層的電感器。

圖4：Ansys RaptorX的無封裝層電感器物理網格

接下來，使用相同的電感器，但在其上方放置了一個矩形的封裝層。下面的圖 5 顯示了包含封裝層的電感器的 RaptorX 網格。

圖5：Ansys RaptorX的電感物理網格，包括覆蓋封裝層

RaptorX為每個電感器生成了一個S參數模型，然后對整個頻率范圍內的電感和品質因數進行了仿真。圖6顯示了兩個電感器在整個頻率范圍內的電感。比較封裝層（綠色）在3 GHz時的電感圖，與沒有封裝層的模型（紅色）的仿真結果相比，電感降低了28%，諧振頻率降低了33%。

圖 6：電感頻率變化圖，顯示了在仿真中添加封裝層的顯著影響

在下面的圖7中，兩個電感器的質量因數（Q）繪制了整個頻率。比較所包含封裝層（綠色）的 Q 仿真圖，與沒有封裝層（紅色）的模型的仿真結果相比，最大 Q 值降低了 38%，最大 Q 峰值頻率降低了 21%。

圖 7：質量因數與頻率的關系圖，顯示了在仿真中添加封裝層的顯著影響

總之，這些仿真結果說明了在仿真中包含封裝層時所看到的器件行為的明顯變化。對封裝層和片上金屬進行建模可以揭示性能下降，這可能會違反規范或導致器件故障。Ansys開發了Process Configurator，使IC和系統設計人員能夠非常輕松地捕獲最復雜的多層封裝配置，并促進快速實驗。它鼓勵采用左移方法，并進行早期的假設探索，以幫助設計人員找到優化最終產品的最佳解決方案，并避免后期的意外。

審核編輯：黃飛