導(dǎo)讀：近期，ANSYS公司給清華大學(xué)集成電路學(xué)院捐贈(zèng)了一批業(yè)界領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件及自動(dòng)化(EDA)軟件，為清華大學(xué)的芯片設(shè)計(jì)仿真的教學(xué)科研工作提供更強(qiáng)大的軟件服務(wù)與技術(shù)支撐。

捐的仿真軟件包括ANSYS涉及的各個(gè)專業(yè)，比如固體力學(xué)，流體力學(xué)，可靠性，高速仿真，ESD等等，都是研制高端芯片必備的工具。這等大手筆也滿足ANSYS一向的戰(zhàn)略，通過(guò)學(xué)校向市場(chǎng)滲透，在市場(chǎng)擁有絕對(duì)的占有率和話語(yǔ)權(quán)。在學(xué)校不管是哪一專業(yè)畢業(yè)，電子，機(jī)械，自動(dòng)化等等，都會(huì)教學(xué)一兩個(gè)ANSYS軟件，因?yàn)槠浣炭茣愕挠?jì)算理念確實(shí)很容易幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解軟件究竟在做什么。

一、仿真在高端芯片研發(fā)中有著重要位置

芯片被稱為工業(yè)皇冠上的明珠，是各個(gè)專業(yè)集大成，更是跨專業(yè)跨學(xué)科，多物理場(chǎng)問(wèn)題的典范。除了經(jīng)驗(yàn)的積累，仿真在研制更高端芯片的途中占有非常重要的位置。又有哪個(gè)大廠敢說(shuō)不用仿真來(lái)做設(shè)計(jì)？而哪個(gè)小廠不用軟件仿真就能做出有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品呢？

作為一只芯片封裝仿真的老鳥，對(duì)芯片封裝仿真的復(fù)雜與重要性深有體會(huì)。芯片封裝復(fù)雜多樣，每次尺寸更改，材料更換都需要通過(guò)仿真驗(yàn)證，不然每次都以實(shí)驗(yàn)代替，研發(fā)成本怕是無(wú)人能承擔(dān)得起。尤其是在后摩爾時(shí)代，芯片的制程將要走向極限，而封裝的發(fā)展勢(shì)在必行，因?yàn)楦呙芏雀呔S度封裝是能將高端制程性能發(fā)揮的主要手段。而熱，力，電三者是芯片可靠性以及性能涉及的主要專業(yè)。其三者相互耦合又相互制約，相克相生，很難預(yù)料，多物理場(chǎng)仿真勢(shì)在必行。

不過(guò)雖說(shuō)多物理場(chǎng)仿真是大趨勢(shì)且很重要，單物理場(chǎng)的基礎(chǔ)要首先打好。很多剛畢業(yè)或者工作一段時(shí)間想做仿真的同行要入門，不知如何下手，見多物理場(chǎng)的復(fù)雜而望而卻步，卻是沒有必要。要學(xué)多物理場(chǎng)仿真，要先從單物理場(chǎng)入手。下面簡(jiǎn)單講講我的經(jīng)歷，或許能對(duì)大家有借鑒的意義。

二、機(jī)械碩士的芯片仿真之路

本人是機(jī)械專業(yè)碩士畢業(yè)，讀研主攻流固耦合方向，手撕NS方程是家常便飯，另外固體模型也要自己搭，不過(guò)是比較簡(jiǎn)單的線性模型。讀研期間因?yàn)楹芟矚g仿真，經(jīng)常很熱心地幫助師兄師弟解答力學(xué)問(wèn)題（因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室只有我一個(gè)人做力學(xué)，其他人都是控制方向）。“熱心”很重要，對(duì)自己幫助很大，因?yàn)楹芏鄦?wèn)題自己也不懂，在接觸別人的課題時(shí)候，能通過(guò)遇到問(wèn)題和解決問(wèn)題學(xué)習(xí)力學(xué)理論和操作，對(duì)偏微分方程求解、參數(shù)特性，以及軟件使用都有一定的理解。

畢業(yè)之后，自己是負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及一些流體仿真相關(guān)工作。也是因?yàn)樽约旱呐d趣，在單位中“偷偷”承擔(dān)固體力學(xué)（接觸為主）以及散熱的仿真工作。散熱的原理其實(shí)相對(duì)流體力學(xué)和固體力學(xué)，算是很簡(jiǎn)單，因?yàn)樯崾且婚T經(jīng)驗(yàn)學(xué)科，很多都是經(jīng)驗(yàn)公式，理論部分比較難的也是和流體相關(guān)，所以上手不費(fèi)勁。這里給大家推薦一本做傳熱的書，是高教版的《傳熱學(xué)》，書中自有黃金屋，書中自有顏如玉（提示：已有網(wǎng)友已在仿真秀官網(wǎng)免費(fèi)分享了西安交大陶教授主講的傳熱學(xué)相對(duì)完整的視頻教程）。但由于都是“偷偷”做事，沒辦法接觸項(xiàng)目，學(xué)到的也很少。這里很重要的經(jīng)驗(yàn)就是，只有做項(xiàng)目遇到各種問(wèn)題，成長(zhǎng)才會(huì)足夠快。所以離職，去了一個(gè)做芯片的小公司，負(fù)責(zé)散熱以及熱構(gòu)耦合仿真的工作。

去芯片公司，也是刷新了我的三觀，因?yàn)榈谝淮谓佑|電仿真。了解的高速信號(hào)仿真也是基于有限元，與固體力學(xué)出自本源，于是主動(dòng)承擔(dān)這部分工作。理想美好但現(xiàn)實(shí)殘酷，做電仿真的過(guò)程是非常拉胯的，雖然學(xué)了一些HFSS軟件操作，因?yàn)閷?duì)電磁場(chǎng)理論的缺失導(dǎo)致不清楚模型中哪些重要哪些不重要，算出的結(jié)果也不會(huì)分析，S21和S11都不清楚，更不要說(shuō)什么模場(chǎng)，共模差模，眼圖，串?dāng)_之類高大上的詞匯。于是接下來(lái)惡補(bǔ)基礎(chǔ)，把電磁場(chǎng)，SI黑寶書都看了至少兩遍，很多概念雖不說(shuō)融匯貫通，但也是了解了八九不離十，然后再回頭看項(xiàng)目，很多東西懂了，這才算半只腳踩進(jìn)了高速仿真的大門。

后面的故事就更索然無(wú)味，一邊做項(xiàng)目一邊學(xué)習(xí)，遇到問(wèn)題依然還要翻書找論文，過(guò)程很簡(jiǎn)單但進(jìn)步是實(shí)打?qū)嵉?。上面說(shuō)的這幾個(gè)也只是ANSYS軟件的幾個(gè)模塊，但能囊括芯片封裝大部分問(wèn)題。在做項(xiàng)目過(guò)程會(huì)遇到電路板散熱困難需要優(yōu)化，陶瓷基板全速工作時(shí)候諧振，甚至還有高溫分層的問(wèn)題。在ANSYS的workbench里面，mechanical, ICEPAK, HFSS模塊拖一拖，線連一連，就OK了。說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，每個(gè)物理場(chǎng)背后都有復(fù)雜的理論支撐，每一步設(shè)置都有物理原因，如何把供應(yīng)商spec的參數(shù)轉(zhuǎn)化填入軟件當(dāng)中，以及正確性如何？都是理論相關(guān)。

三、芯片與多物理仿真

說(shuō)到多物理場(chǎng)仿真，這里說(shuō)明一下。熱場(chǎng)，電場(chǎng)，力場(chǎng)，這些都是單物理場(chǎng)。而這些多物理場(chǎng)耦合在一起就稱為多物理場(chǎng)。PCB板上的IR Drop是典型的PI(Power integrity)問(wèn)題，而IR drop的drop的能量，是轉(zhuǎn)化為歐姆熱，P=VI發(fā)熱功率。由于電路板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，某些電流密度高地方發(fā)熱量高很有可能散不出去。ANSYS的SIwave是專門用來(lái)做PI問(wèn)題的模塊，可以直接計(jì)算IR Drop然后把電流功耗導(dǎo)入ICEPAK計(jì)算溫度。比如下面的PCB，通過(guò)IR Drop計(jì)算電流分布。

導(dǎo)入ICEPAK之后(就在SIwave模塊界面中)，設(shè)置好風(fēng)速和方向，還有環(huán)境溫度即可求解。求解出的溫度如下圖所示，果然還有局部區(qū)域溫度過(guò)高。求解出溫度之后，還可以把溫度場(chǎng)導(dǎo)入IR Drop模塊求解，因?yàn)椴煌瑴囟认陆饘俚碾娮杪什煌?要在SIwave里面自己設(shè)置材料參數(shù)和溫度的關(guān)系)。像這種問(wèn)題即電場(chǎng)和溫度場(chǎng)相互耦合，為多物理場(chǎng)問(wèn)題。