机械专业学子的芯片封装仿真“逆袭之路”
导读：近期，ANSYS公司给清华大学集成电路学院捐赠了一批业界领先的计算机辅助工程(CAE)软件及自动化(EDA)软件，为清华大学的芯片设计仿真的教学科研工作提供更强大的软件服务与技术支撑。
捐的仿真软件包括ANSYS涉及的各个专业，比如固体力学，流体力学，可靠性，高速仿真，ESD等等，都是研制高端芯片必备的工具。这等大手笔也满足ANSYS一向的战略，通过学校向市场渗透，在市场拥有绝对的占有率和话语权。在学校不管是哪一专业毕业，电子，机械，自动化等等，都会教学一两个ANSYS软件，因为其教科书般的计算理念确实很容易帮助学生学习理解软件究竟在做什么。
一、仿真在高端芯片研发中有着重要位置
芯片被称为工业皇冠上的明珠，是各个专业集大成，更是跨专业跨学科，多物理场问题的典范。除了经验的积累，仿真在研制更高端芯片的途中占有非常重要的位置。又有哪个大厂敢说不用仿真来做设计？而哪个小厂不用软件仿真就能做出有竞争力的产品呢？
作为一只芯片封装仿真的老鸟，对芯片封装仿真的复杂与重要性深有体会。芯片封装复杂多样，每次尺寸更改，材料更换都需要通过仿真验证，不然每次都以实验代替，研发成本怕是无人能承担得起。尤其是在后摩尔时代，芯片的制程将要走向极限，而封装的发展势在必行，因为高密度高维度封装是能将高端制程性能发挥的主要手段。而热，力，电三者是芯片可靠性以及性能涉及的主要专业。其三者相互耦合又相互制约，相克相生，很难预料，多物理场仿真势在必行。
不过虽说多物理场仿真是大趋势且很重要，单物理场的基础要首先打好。很多刚毕业或者工作一段时间想做仿真的同行要入门，不止如何下手，见多物理场的复杂而望而却步，却是没有必要。要学多物理场仿真，要先从单物理场入手。下面简单讲讲我的经历，或许能对大家有借鉴的意义。
二、机械硕士的芯片仿真之路
本人是机械专业硕士毕业，读研主攻流固耦合方向，手撕NS方程是家常便饭，另外固体模型也要自己搭，不过是比较简单的线性模型。读研期间因为很喜欢仿真，经常很热心的帮助师兄师弟解答力学问题（因为实验室只有我一个人做力学，其他人都是控制方向）。“热心”很重要，对自己帮助很大，因为很多问题自己也不懂，在接触别人的课题时候，能通过遇到问题和解决问题学习力学理论和操作，对偏微分方程求解、参数特性，以及软件使用都有一定的理解。
毕业之后，自己是负责结构设计以及一些流体仿真相关工作。也是因为自己的兴趣，在单位中“偷偷”承担固体力学（接触为主）以及散热的仿真工作。散热的原理其实相对流体力学和固体力学，算是很简单，因为散热是一门经验学科，很多都是经验公式，理论部分比较难的也是和流体相关，所以上手不费劲。这里给大家推荐一本做传热的书，是高教版的《传热学》，书中自有黄金屋，书中自有颜如玉（提示：已有网友已在仿真秀官网免费分享了西安交大陶教授主讲的传热学相对完整的视频教程）。但由于都是“偷偷”做事，没办法接触项目，学到的也很少。这里很重要的经验就是，只有做项目遇到各种问题，成长才会足够快。所以离职，去了一个做芯片的小公司，负责散热以及热构耦合仿真的工作。
去芯片公司，也是刷新了我的三观，因为第一次接触电仿真。了解的高速信号仿真也是基于有限元，与固体力学出自本源，于是主动承担这部分工作。理想美好但现实残酷，做电仿真的过程是非常拉胯的，虽然学了一些HFSS软件操作，因为对电磁场理论的缺失导致不清楚模型中哪些重要哪些不重要，算出的结果也不会分析，S21和S11都不清楚，更不要说什么模场，共模差模，眼图，串扰之类高大上的词汇。于是接下来恶补基础，把电磁场，SI黑宝书都看了至少两遍，很多概念虽不说融汇贯通，但也是了解了八九不离十，然后再回头看项目，很多东西懂了，这才算半只脚踩进了高速仿真的大门。
后面的故事就更索然无味，一边做项目一边学习，遇到问题依然还要翻书找论文，过程很简单但进步是实打实的。上面说的这几个也只是ANSYS软件的几个模块，但能囊括芯片封装大部分问题。在做项目过程会遇到电路板散热困难需要优化，陶瓷基板全速工作时候谐振，甚至还有高温分层的问题。在ANSYS的workbench里面，mechanical, ICEPAK, HFSS模块拖一拖，线连一连，就OK了。说起来简单，每个物理场背后都有复杂的理论支撑，每一步设置都有物理原因，如何把供应商spec的参数转化填入软件当中，以及正确性如何？都是理论相关。
三、芯片与多物理仿真
说到多物理场仿真，这里说明一下。热场，电场，力场，这些都是单物理场。而这些多物理场耦合在一起就称为多物理场。PCB板上的IR Drop是典型的PI(Power integrity)问题，而IR drop的drop的能量，是转化为欧姆热，P=VI发热功率。由于电路板结构复杂，某些电流密度高地方发热量高很有可能散不出去。ANSYS的SIwave是专门用来做PI问题的模块，可以直接计算IR Drop然后把电流功耗导入ICEPAK计算温度。比如下面的PCB，通过IR Drop计算电流分布。
导入ICEPAK之后(就在SIwave模块界面中)，设置好风速和方向，还有环境温度即可求解。求解出的温度如下图所示，果然还有局部区域温度过高。求解出温度之后，还可以把温度场导入IR Drop模块求解，因为不同温度下金属的电阻率不同(要在SIwave里面自己设置材料参数和温度的关系)。像这种问题即电场和温度场相互耦合，为多物理场问题。
感兴趣的朋友可以关注我《芯片封装仿真分析12讲-掌握ICEPAK、Mechanical和HFSS在芯片封装应用》精品课，
本课程旨在给大家介绍芯片封装结构的仿真方法，基本囊括了所有芯片需要的仿真内容。而且除了电芯片，因为5G通信的火热，光通信也是目前的热点行业，也通过光器件的仿真教会大家如何做光器件的仿真。时长35个小时，且不断加餐中，并建立了订阅用户交流群和答疑专栏服务等，获得了一大批订阅用户的好评。
从我的经历可以看出，虽然我是机械专业毕业，但也并不是无法掌握电磁场仿真，原因就是在我看来都是求解偏微分仿真，只要把那几本书看透了，用软件熟练即可。另外还有一种思想，就是每一次仿真都是做工程，当然这个仿真工程和实际问题是两条线，能否让其相交就要看工程师自己的咯，欢迎联系平台加入芯片仿真行业用户交流群。
