芯粒異構(gòu)集成給半導(dǎo)體行業(yè)帶來一次重大升級，能有效解決芯片設(shè)計制造中的諸多瓶頸。然而，高密度集成在降低算力芯片成本的同時也面臨功耗顯著增加、散熱困難等技術(shù)挑戰(zhàn)，熱管理成為提升芯片性能的關(guān)鍵問題。如何針對芯粒異構(gòu)集成的復(fù)雜性，提出新的熱仿真方法，這對Chiplet熱管理技術(shù)提出了新的要求。

針對以上問題，微電子所EDA中心多物理場仿真課題組構(gòu)建了芯粒集成三維網(wǎng)格型瞬態(tài)熱流仿真模型，能夠?qū)崿F(xiàn)Chiplet集成芯片瞬態(tài)熱流的高效精確仿真，為芯粒異構(gòu)集成溫度熱點檢測和溫感布局優(yōu)化奠定了核心技術(shù)基礎(chǔ)。同時，課題組在集成芯片電熱力多物理場仿真方面進行布局，開展了直流壓降、熱應(yīng)力和晶圓翹曲仿真等研究工作。

近期，課題組在Chiplet熱仿真工具方面取得新進展。通過對重布線層（RDL）、硅通孔（TSV）和凸點陣列進行各向異性等效，構(gòu)建了從GDS版圖到系統(tǒng)級封裝的跨尺度各向異性熱仿真模型，在提升仿真模型精度的同時優(yōu)化了集成芯片溫度熱點檢測方法。同時，構(gòu)建了芯粒異構(gòu)集成電熱耦合仿真模型，支持復(fù)雜互連結(jié)構(gòu)物性參數(shù)等效，實現(xiàn)了電熱雙向耦合高效計算，可準確描述集成芯片焦耳熱效應(yīng)下的溫度變化行為。此外，基于以上模型和算法研究進展，將熱仿真方法拓展至更大尺度，自主研發(fā)了晶圓級熱仿真模擬器。該模擬器能夠為芯粒異構(gòu)集成芯片提供更大尺度的熱仿真分析，同時支持散熱器流體動力學(xué)模型設(shè)計，仿真結(jié)果更接近實際應(yīng)用場景的潛在溫度熱點預(yù)測，有助于優(yōu)化熱設(shè)計仿真流程。與有限元方法相比，模擬器單元數(shù)量減少了2.78倍，運行時間減少了25.9倍，相對誤差為0.38%。目前，課題組與國內(nèi)知名企業(yè)開展了熱仿真關(guān)鍵技術(shù)合作，相關(guān)模型和算法正在進行應(yīng)用驗證。

以上研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性A類先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院青年交叉團隊等項目支持，研究成果先后發(fā)表在熱力學(xué)頂級期刊《Applied Thermal Engineering》 (A wafer-scale heterogeneous integration thermal simulator, DOI：10.1016/j.applthermaleng.2025.125459) 和微電子系統(tǒng)權(quán)威期刊《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》(A multiscale anisotropic thermal model of chiplet heterogeneous integration system, DOI:10.1109/TVLSI.2023.3321933;An electrical-thermal co-simulation model of chiplet heterogeneous integration systems, DOI: 10.1109/TVLSI.2024.3430498)上。微電子所研究生王成晗、馬曉寧為上述論文第一作者，微電子所徐勤志研究員和李志強研究員為上述論文通訊作者。

圖1  各向異性熱仿真

圖2  電熱耦合仿真

圖3 熱仿真模擬器

 （來源：中國科學(xué)院微電子研究所i）