多物理场已经成为半导体设计和分析领域的新热点，但这一术语的模糊性也反映了设计流程中面临的复杂性。随着先进工艺节点和封装技术的不断发展，设计人员需要同时解决众多新问题和现有问题。
平面SoC的分解以及在封装中集成更多的处理单元、存储器、互连和无源器件，催生了一个笼统的术语——多物理场，用来描述工具和方法的变革。由于器件密度增加、处理需求提升以及工作负载复杂化，结构问题、物理效应和热效应等问题愈发突出。这些因素相互交织、快速变化，使得分析变得更加复杂且难以描述。
“我们在IC设计中所仿真的，本质上是物理场。”Ansys总监Rich Goldman表示，“虽然可以说这是多物理场，但我认为大多数人并不这样认为。对于功能仿真，尽管其背后有物理特性，但并不是物理特性仿真。它可以是AND门或OR门，仿真结果是一个1或0。这是物理学的逻辑抽象。一般来说，我们传统上所称的IC设计，包括时序仿真、上电仿真以及任何数字仿真，通常不被认为是多物理场。然而，当我们进入模拟仿真领域时，SPICE仿真就越来越接近了。”
那么，为什么“多物理场”这一术语如今越来越流行呢？“从一开始，多种物理效应就在芯片设计中发挥着重要作用。”Fraunhofer IIS自适应系统工程部设计方法负责人Roland Jancke指出，“为了满足应用要求，热、机械和电磁效应都需要被考虑。然而，最近的技术发展迫使设计人员必须考虑来自不同物理领域的机制。这些机制需要在开发过程的早期就被纳入考虑范围，因为它们彼此之间直接交互，并且与芯片的功能行为密切相关。”
这种趋势对工具和流程的影响是巨大的。“多物理场并不是一个很准确的术语。”Siemens EDA高级产品工程师Matt Grange表示，“这是一个多空间解决方案问题。它是不同仿真环境、工具和问题的融合，而如今，我们正处于高度集成的密集封装时代，这一切都达到了前所未有的复杂程度。”
“IC内部的一切通常不被认为是多物理场的，而IC外部的一切则被认为是多物理场的。”Ansys的Goldman指出，“它们各自独立发展，‘井水不犯河水’。然而，随着IC编译器等工具的出现，更多物理特性被引入，两者的界限开始变得模糊。特别是当我们进入3D-IC时代并开始堆叠芯片时，这种界限变得更加模糊。现在，我们必须考虑热效应和电磁干扰等问题。这些经典的多物理场问题，正通过3D-IC技术被引入到IC设计中。”
这种复杂性进一步加剧，因为许多物理效应之间相互作用。“我们关注的物理效应是向异构封装转变的结果。”Siemens EDA Calibre nmDRC应用产品管理总监John Ferguson表示，“突然之间，我们受到的影响超出了传统单芯片的影响范围。这可能是由于加热效应和压力效应。并非每个人都意识到这些问题对电气行为和性能的影响。如果你不考虑这些因素，那么你在现实世界中的结果将与你的预期大相径庭。”
大多数多物理场问题主要是由于先进封装技术的出现而产生的。“随着功能的不断集成，这些效应变得越来越普遍。”Fraunhofer IIS/EAS高效电子主管Andy Heinig指出，“例如，我们看到互连之间或来自不同电路的互连和晶体管之间的耦合效应越来越多。此外，在高度集成的封装中，热效应与电气性能之间的耦合效应也在增加，这需要更多的分析。”
耦合效应取决于布局。“热分析工具必须了解设计不同部分之间的交互，具体取决于它们之间的距离。”Ansys首席产品经理Suhail Saif表示，“一旦热分析及其x和y坐标完成，这些数据就会反馈给功耗分析步骤，你必须再次进行整个迭代过程。根据公司对热分析细节（与功耗相关）的敏感程度，他们可能会在两次或三次迭代后停止。在第二次迭代之后，结果开始变得非常有意义。
在第三次迭代之后，结果相当不错。你可以绘制每个样本与最终收敛结果的差异，变化范围从最小的2%到3%，到最大的20%到30%。”
它还将制造过程与设计紧密结合。“芯片在制造过程中发生的大部分加热效应，是变形的主要来源。”Siemens的Ferguson指出，“你可能不需要考虑芯片的具体使用方式，具体取决于它的使用时间和运行条件。通过良好的热分析，你应该能够得出可靠的结果。问题在于，‘之前发生了什么？这些小芯片是如何受到小芯片上膨胀和挤压的材料的影响的？封装是按层创建的。你可能有一个中介层，在其上放置一层芯片，然后将其加热到非常高的温度并保持较长时间。其他材料的膨胀速度会比硅更快。当你冷却它时，问题就开始变得真正复杂。在过去的几年里，我们主要关注水平面上彼此相邻的模具，但现在我们进入了三维空间。这增加了更多的复杂性。它可以使小芯片缩小一点，所以你必须考虑到这一点。”
这又回到了电气行为。“超大规模半导体技术在栅极区域使用机械预应力，以提高载流子的移动性。”Fraunhofer的Jancke指出，“如果在后端加工、封装甚至现场工作过程中引入进一步的机械应力，预期的预应力可能会增加或减少，这将直接影响电路的性能，并可能妨碍设计目标的实现。”
机械性能需要与电气性能一起考虑。“机械性能至关重要，因为你可能会对芯片施加压力，导致焊球破裂，它们可能会停止工作。”Goldman表示，“你需要在3D-IC上进行机械仿真。”
一切都变得相互关联。“作为技术扩展和高级集成方法（如2.5D和3D集成）的直接结果，芯片封装中的距离正在缩小。”Jancke指出，“另一方面，功率不会以相同的规模收缩。热效应变得更加主导。最重要的是，强热梯度（所涉及的多倍材料具有不同的热膨胀系数）正在产生热机械相互作用。因此，电热机械效应是其结果，这是真正的多物理场。”
尽管多物理场是一个后端问题，但它必须在流程的早期就被考虑。“问题在于，模拟通常是单独运行的，当问题出现时没有直接的流程。”Fraunhofer的Heinig指出，“通常，会重新审视设计，并尝试另一种方法，但这并不是很系统。当前的想法是在系统模型中更清楚地表示这些效应，使其在此级别上可访问。这将允许对许多变体进行更简单、更系统的比较。”
与电力一样，热能正在成为一个系统性问题。“工具和流程正在进一步向左移动，因为你不能等到最后，也就是封装完成时，才运行这些工具。”Siemens的Grange指出，“你需要在完成布局之前就开始。当您查看放置的可行性时，您需要弄清楚放置。这个芯片可以放在那个芯片上面吗？在那里会有什么压力？如果你有早期的功耗估计，你可以查看热效应。你需要在整个设计流程中一直运行这些分析，而不仅仅是在最后。”
许多物理效应在流程的早期就产生了影响。“左移要求设计团队在设计过程的早期考虑电磁干扰（EMI）/电磁兼容性（EMC）以及电源完整性（PI）、信号完整性（SI）和热完整性等问题。”Cadence多物理场系统分析高级产品管理小组总监Sherry Hess表示，“确保系统在各种工作条件下工作的综合系统设计和分析产品不仅必须包括IC、IC封装和PCB设计平台，还必须集成它们固有的多物理场现象。”
问题是，当许多影响效应都是在离散的孤岛中完成时，如何照顾到它们？“电路设计人员习惯于使用电压和电流仿真工具。”Jancke指出，“但是，在晶体管模型中，施加机械应力的引脚在哪里呢？这种影响由完全不同的模拟器（如FEM工具）处理。”
未来，芯片设计上的不同视图之间需要更多的接口。电路级仿真需要包含有关器件位置和方向的信息，以便考虑热和机械相互作用。此外，还需要提供封装信息，以便正确放置设备，并注意附近芯片的热、机械或电磁干扰。
修改基本设备模型并非易事。Ferguson指出：“压力的影响已经融入设备模型中，但与热效应相比，处理起来要复杂得多。”热效应相对容易处理，因为可以将热属性直接添加到网表中，它可以是电线的一部分，也可以出现在任何位置，只需在模型中标记热属性即可。然而，对于压力，行业内尚未形成类似的处理概念。目前的解决方案是利用传统设备模型，通过某种方式传递有关载流子迁移率变化的信息，并对其进行更新。但在大多数仿真工具中，这并不容易实现，因此需要对模型进行针对性的调整。
热量、压力等物理效应会随着时间推移而发生变化。Ferguson指出：“当芯片通电后，它开始发热，材料的行为也会随之改变，进而影响电气性能。”这意味着，最初的功效分析结果并非完全准确。实际上，芯片需要一定时间才能达到热平衡的稳定状态，这是一个全新的现象。在过去，对于单个芯片而言，我们几乎不用担心这个问题，除非涉及射频、敏感元件或使用了特殊材料。传统硅基芯片的散热设计相对简单，因为散热路径明确，且材料的承受能力也较为清晰。然而，如今芯片设计变得复杂得多，因为涉及多种不同材料。
另一个问题是不同物理效应的时间尺度差异，这使得工具在整合时必须采用不同的方法。例如，功率仿真需要短时间尺度，而热仿真则需要长时间尺度。Ansys的Saif解释道：“从理论上讲，如果同时解决功率和热问题，需要大量的计算资源和时间，这是不切实际的。
因此，我们采用了一种折中的方法：先从功率仿真入手，它需要较短的时间尺度，然后将结果汇总到更长的时间范围内。”例如，热分析的目标可能是15秒或20秒，将这段时间分成100毫秒的小段，对每个小段进行功率仿真并生成总功率数据。完成这些快速分析后，将这些数据片段组合起来，形成一个近似波形，虽然不够精确，但足以提供给热分析工具使用。这种方法使功率和热仿真工具能够在相同的时间范围内对设计进行分析。
半导体设计始终受到物理学的驱动。在过去，行业可以通过抽象化和封装技术，将栅极和导线视为独立的元素。然而，随着技术扩展和高级封装的出现，这些抽象化和封装正在被打破。虽然这些变化的影响看似微小，但在利润率较低的设备设计中，其重要性不容忽视。
目前，芯片行业仍在探索解决方案。虽然第一组工具和流程已经开始出现，但完全理解所有交互作用并开发出成熟的解决方案仍需要时间。此外，行业可能还需要引入一些新的术语来描述这些复杂的多物理场现象。
