【解決方案】透過雲端模擬加速半導體封裝設計

作者：Rahul Nagaraja Quanscient，多物理場 FEM 軟體開發工程師。

重點摘要

• 半導體封裝設計日益複雜，需仰賴高擬真模擬以確保效能與可靠性。

• 傳統模擬方法難以應對現代微型化封裝所需的龐大運算量。

• 以雲端爲基礎的模擬提供一個具備支援高效且全方位分析所需的可擴充性與靈活性的解決方案。

• Quanscient Allsolve 透過雲端運算加速模擬流程，讓開發週期變得更短、封裝效能最佳化。

• Allsolve 提供進階功能，例如領域分割、平行模擬、Python 腳本介面，以及可用於自動化與客製化的 API。

微電子產業不斷追求體積更小、效能更強的裝置，而這股微型化趨勢也讓半導體封裝面臨更為複雜的挑戰，必須透過創新解決方案來確保效能與可靠性。雖然模擬封裝至關重要，但要實際執行並不容易。

傳統模擬方法通常仰賴簡化的假設，以控制運算成本與時間。然而，要精確模擬現代微型化封裝在實際運作中的反應，則需依靠高解析度的 3D 模型，但這也大幅提高了運算需求與模擬時間，因此會超出一般內部資源的負荷範圍。在這樣的限制下，設計探索的空間受到壓縮。工程師必須進行大量的參數化研究與實驗設計（DOE）以最佳化封裝設計，但在傳統方法下，這類研究往往耗時又耗費資源，進而拖延產品開發時程。

為了因應這些挑戰，模擬方法必須採取新的思維。以雲端爲基礎的模擬方法可提供現代半導體封裝設計複雜需求，所需的可擴充性與靈活性，透過雲端原生演算法，實現更快速且更全面的分析。

半導體封裝模擬面臨的挑戰

隨著裝置持續縮小並整合更多功能，半導體封裝變得越來越複雜。這樣的複雜性為傳統模擬方法帶來許多挑戰：

• 幾何結構所帶來的限制

先進封裝設計通常包含複雜的設計和不規則的幾何型盎，這種複雜性限制了幾何對稱等簡化假設的使用，必須使用完整的 3D 模型，才能進行精確分析。

• 高解析度模型

為了準確模擬微型元件與細部特徵的反應，高解析度網格不可或缺。細緻模型會大幅增加模擬中的元素與節點數量，導致更長的運算時間和更高的記憶體需求。

• 運算需求增加

模擬複雜的幾何和高解析度模型需要大量運算資源，傳統的模擬工具可能難以處理這樣的需求，導致執行時間過長，進而阻礙設計的迭代與探索。

• 設計空間受限

完整分析半導體封裝通常需要大量參數化研究與實驗設計（DOE）。然而，這類研究的運算成本相當高，限制了探討寬廣的設計空間和找出最佳解決方案的可能性。

• 資源受限

許多工程團隊缺少進行複雜模擬所需的高效能運算（HPC）資源。建置與維護這類系統成本高昂，而且不一定對所有組織都可行。

這些挑戰凸顯了半導體封裝模擬需要更高效且易於取得的方法。像 Quanscient Allsolve 這類以雲端爲基礎的模擬方法，具備可擴充性與靈活性，能突破這些限制同時加速開發流程。

Quanscient Allsolve 用於半導體封裝模擬的以雲端爲基礎的解決方案

Quanscient Allsolve 運用雲端運算的效能與可擴充性，解決前述半導體封裝模擬所面臨的挑戰。以下是它如何為半導體封裝模擬提供更有效率且更容易使用的方法：

• 區域分割法（DDM）

Allsolve 採用區域分割演算法（DDM）大幅加速模擬過程。透過將計算區域劃分為多個子區域，並將工作負載分配至雲端的多個處理器並同步執行，能有效縮短模擬時間。這種平行的方式讓工程師能更快取得結果，促進更快的設計迭代和更廣泛的探索。

• 平行模擬

Allsolve 支援同時執行多項模擬，這項能力對於進行參數化研究與實驗設計（DOE）極為關鍵，能有效評估大量設計變化。透過平行執行這些模擬，Allsolve 可大幅縮短整體研究所需時間，讓工程師更有效率地探索更大的設計空間並優化設計。

• 以雲端為基礎的平臺台

Allsolve 是一個雲端原生平台，無需昂貴硬體和複雜的軟體安裝。使用者只需連上網路，即可從任何地點存取 Allsolve，並根據需求調整運算資源。這樣的可存取性與靈活性，使 Allsolve 成為具成本效益且使用便利的半導體封裝模擬解決方案，無論企業規模或現有基礎設施為何，皆可輕鬆導入。

結合這些功能，Allsolve 讓工程師能突破傳統模擬方法的限制，加快半導體封裝的設計流程。

案例實例：IC 封裝模擬

為了展示 Allsolve 在實務上的效益，以下是一個針對積體電路（IC）封裝模型的模擬案例。本範例說明 Allsolve 如何透過各項功能，提升設計分析的效率與速度。

• 模擬模型

此 IC 封裝模型包含一組錫球陣列、基板層、導線佈局、具底部填充的覆晶式球柵陣列（FCBGA），以及一個整合式熱傳導蓋（IHS）。

圖 1．IC 封裝模型的 CAD 圖與其剖面視圖。

• 網格收斂研究

為確保模擬結果的準確性，進行了一項網格收斂研究，以判斷合適的網格密度。測試內容包括一系列漸進式細化網格的模擬，量測基板上特定位置的 Z 位移作為判斷標準。

• 透過 DDM 降低模擬時間

為展示 Allsolve 所採用 DDM 演算法的效益，本研究以不同數量的運算節點進行模擬。結果顯示，節點數增加可顯著縮短模擬時間。在本案例中，使用 60 個節點相較於單一節點，可縮短 85% 以上的執行時間。

• 實驗規劃中的參數掃描

Allsolve 支援執行平行模擬，對於參數化研究與實驗規劃特別有價值。這個案例中進行了雙變數掃描，同時改變溫度與熱膨脹係數（CTE），共執行 100 次平行模擬，顯示整體分析時間大幅縮短。

本案例研究展示了 Allsolve 如何加速 IC 封裝設計的模擬流程。透過 DDM 與平行模擬，工程師能更快速取得準確結果，進而擴大設計探索範圍並提升最佳化效率。

Allsolve 的靈活性與自動化能力

速度雖然重要，但Allsolve 提供的不只是快速的模擬，更為半導體封裝設計提供一個全面、靈活的環境，讓工程師擁有進階的能力：

• API 自動化控制

針對進階的自動化與整合需求，Allsolve 提供應用程式介面（API），讓使用者可透過程式控制模擬流程、整合外部工具與腳本，並建立客製化的工作流程。這可用於自動執行重複性任務、串接最佳化演算法，或整合進更大的自動化系統。

• Python 腳本介面

Allsolve 內建 Python 腳本介面，可直接存取模擬設定。當使用 GUI 建立模擬時，Allsolve 會自動產生對應的 Python 腳本，完整記錄整體設定。工程師可在 Allsolve 環境中檢視與修改此腳本，調整參數、自訂變數，甚至加入自有的物理方程式，讓模擬流程更具靈活性，無需離開平台即可完成進階操作。

• 原生整合多重物理場

Allsolve 能在單一模擬環境中無縫整合多種物理現象，讓工程師能同時分析結構力學、熱傳遞、流體與電磁等耦合效應。透過考量這些物理交互影響，工程師能更全面掌握封裝在實際運作中的反應，進一步優化各物理領域下的整體效能。

• 友善的使用者介面

Allsolve 提供直覺式圖形操作介面（GUI），可簡化模擬設定與分析。GUI具備清晰的可視化、簡化管理工作流程，並促進團隊成員間的協作。這個友善的操作環境讓工程師能專注在設計目標上，不受複雜軟體操作干擾。

Allsolve 結合速度、靈活性與自動化能力，提供完整的半導體封裝模擬解決方案，協助工程師克服設計挑戰、加快開發時程，並優化產品效能。

結語與重點整理

• 隨著微型化與先進技術的發展，半導體封裝日益複雜，需仰賴高精度模擬來確保效能與可靠性。然而，傳統模擬方法難以應付這類精細設計所需的龐大運算量。

• Quanscient Allsolve 透過雲端運算，大幅提升模擬效率與執行速度。結合區域分割與平行模擬技術，Allsolve 可加快分析流程，協助工程師擴大設計探索範圍，並優化封裝效能。

• Allsolve 提供 Python 腳本介面，方便使用者客製模擬內容；同時具備 API，可整合外部工具並自動化工作流程，讓工程師能依實際需求調整使用方式，打造更靈活的設計解決方案。

• 作爲一個以雲端為基礎的平台，Allsolve 適用於各種規模的工程團隊，無需高額硬體投資。彈性的架構讓使用者可按依需求調整運算資源，確保擁有足夠的模擬能力來完成任務。