在先进封装领域，热敏感性对高性能芯片组件带来巨大挑战，加剧了各类物理效应影响，增加了互连难度及设计成本与周期，也催生了对新型设计工具的迫切需求。

过去，组件多集成于较厚基板的平面 SoC；如今，主板持续变薄以缩短信号传输距离，这降低了传统硅基板效能，导致晶格畸变、翘曲，以及冷热不均现象。这些问题会引发互连线故障，影响微凸块连接稳定性，进而造成性能下滑、良率降低。

当芯片运行发热时，不同材料膨胀速率差异产生应变，引发翘曲、开裂或分层等问题，严重影响电气性能与互连可靠性。随着设备封装密度提升，结构尺寸缩小且材料种类增多，热膨胀系数（CTE）差异带来的挑战愈发显著。

左上：Ansys原理图，显示耦合热模型和结构模型的子系统。右上：20°C下的封装翘曲，死虫视图（观察底座底部）。右下：施加“通电”热尖端后的封装翘曲，死虫视图（与20°C下的封装翘曲相同的色标）。左下：来自Icepak的温度曲线边界条件。

针对这些问题，可采取多种缓解应力的方法。在材料选择上，优先采用热膨胀系数与芯片接近的基底材料，如陶瓷基片；选用低弹性模量的环氧树脂等柔韧性封装材料，缓冲外部应力；使用高导热率的散热材料，像铜铝及其合金、碳化硅颗粒增强铝基复合材料，加快热量散发，降低热应力。在结构设计方面，合理布局芯片，将发热量大的芯片分散放置，把敏感芯片置于应力较小区域；设置弹性缓冲垫、特殊支撑结构等缓冲组件，吸收分散应力；优化封装外形，采用圆形或椭圆形设计减少应力集中。在工艺设计上，精确控制倒装芯片键合的温度、压力和时间，优化固化工艺的温度曲线与时间，合理安排制造工艺顺序，避免对已键合芯片产生额外应力。

工程师在封装设计早期常借助有限元分析（FEA）工具，评估芯片封装交互（CPI）产生的应变场。由于热、机械、电效应间关联性增强，多物理场仿真成为关键。通过模拟先进封装内部物理过程，可在生产前预测故障，避免损失。同时，采用 CTE 匹配材料、优化键合技术、整合多物理场分析，也有助于解决相关问题。

在 Chiplet 设计中，芯片间布线密度显著降低，为维持带宽需付出更高成本，且会带来功耗增加、延迟上升等问题。因此，架构设计时需综合考量数据接口位置、流量模式、延迟与吞吐量要求，确保设计契合应用需求。

3D - IC 中芯片堆叠数量增加，进一步加剧设计挑战。在供电网络设计、PCB 组装等环节，都需从系统层面综合考虑，避免热撕裂等问题影响封装可靠性。传统的阈值分析方法虽被广泛应用，但存在过度设计问题。更精准的逐器件或区域分析方法，将成为未来趋势。

此外，材料特性与制造工艺对封装应变影响重大，需与代工厂等紧密合作获取准确数据。通过 X 射线或光学技术监测芯片翘曲，结合数字孪生等虚拟测试手段，可有效评估可靠性。

为了避免3D-IC和多芯片设计中出现应变和过敏问题，行业专家强调了以下关键领域： 早期热分析和规划。热问题需要在设计过程的早期就考虑，而不是事后才考虑。热分析应该成为架构架构探索和规划阶段的一部分。 全栈建模。工程师能够需要对整个多芯片堆栈进行建模和分析，包括芯片、内层、封装和PCB。 芯片间的热连接。在一些芯片设计中，需要考虑芯片间的热连接。一个芯片的热量会影响相邻的芯片。 不同的材料和热膨胀系数(CTE)。使用具有不同热膨胀系数(CTE)的材料可能会导致界面问题。这些问题需要进行建模和分析。 模型凸块、TSV和芯片间接口。需要仔细建模和分析凸块、硅通孔(TSV)和芯片间按键合接口等3D结构中的应力/变形。 电磁（EM）建模。在高速下，电磁效应变得很重要，需要完整的电磁建模，而不仅仅是RC建模。 电力分配。正确的电力分配网络设计是为了控制热量和避免热点关键。 多物理场仿真。热效应、机械效应和电效应相互关联。需要多物理场仿真工具来捕捉这些交互。 由于应变和应变已成为先进封装设计中的关键考虑因素，需要建模相应和分析方法来确保可靠和高性能的集成系统。 

集成正在推动芯片和封装设计人员在架构规划阶段就多物理场效果，例如应变、应变、热性能、SI/PI。随着设计的成熟，进一步的验证确保最终可以满足产品满足操作和可靠性要求。EDA 供应商在并提供互联的架构、设计和多物理场仿真及验证工具/工作方面发挥着关键作用，使封装架构师能够重新对工艺、布局和材料选择做出正确的决策。