一种基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法

本发明涉及数值仿真计算，具体地，涉及一种基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法。

背景技术：

1、随着集成电路工作频率、互连密度和封装集成度的持续提升，传统以电路为主的仿真方法在高频条件下难以准确描述导体、介质、互连结构及封装环境中的电磁场效应。特别是在高速互连、射频封装、片上与封装级功率分配网络等应用场景中，电磁场分布会直接影响端口响应、信号完整性以及器件工作状态，因此需要将电磁场求解与外接电路求解结合起来，开展场路协同仿真。

2、另一方面，封装集成密度提高使得系统功率密度显著增加，电磁损耗和器件功耗在有限空间内持续累积，容易导致局部温升。温度升高不仅会改变材料电导率、介电参数、热导率等物性参数，还会引起半导体器件等效参数漂移，进一步影响电路响应和电磁场分布。因此，电磁场、电路、热场和热路之间存在明显的双向耦合关系。

3、现有多物理场仿真方法通常分别关注电磁-电路协同仿真或电磁-热协同仿真，极少数方法虽然能够实现电磁-电路-热耦合求解，但往往未将外接电路与等效热路之间由功耗和温度共同决定的耦合关系完整纳入统一瞬态框架，难以全面表征集成电路及封装中的损耗-温度反馈机制。同时，直接采用商业软件进行电磁和温度的场路协同瞬态求解时，每个时间步的计算成本较高，不利于复杂结构的优化迭代设计。

4、因此，如何准确建立电磁场、电路、热场和等效热路之间的耦合关系，同时提高瞬态分析效率，是集成电路及封装多物理场仿真中亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明提供了一种基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，通过将基于间断伽辽金法与改进节点分析法的电磁场路模型，以及基于有限元法与紧凑热模型的热场路模型，统一嵌入瞬态电磁-热场路协同仿真框架中，实现高计算精度的同时，显著提升了仿真效率。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，包括以下步骤：

4、基于集成电路封装的电磁场与电路特性，分别采用间断伽辽金法与改进节点分析法构建电磁场与电路离散方程；

5、构建电磁场-电路联合方程，求解电磁场分布与端口电压及电流，并计算电磁场损耗与器件功耗；

6、将电磁场损耗与器件功耗作为热源，分别采用有限元法与紧凑热模型构建热场与热路离散方程；

7、构建热场-热路联合方程，求解温度分布与器件结温，并基于温度更新材料参数和器件参数；

8、按照预设时间步长逐时刻求解，最终获得完整的电热瞬态响应。

9、优选地，所述基于集成电路封装的电磁场与电路特性，分别采用间断伽辽金法与改进节点分析法构建电磁场与电路离散方程的步骤中，所述电磁场与电路离散方程的构建步骤包括：

10、第一步，采用间断伽辽金法对麦克斯韦方程组进行空间离散，并结合蛙跳差分策略进行时间离散，得到电磁场离散矩阵方程；

11、第二步，采用改进节点分析法建立集总电路方程，并结合一阶后向差分策略进行时间离散，得到电路离散矩阵方程。

12、优选地，所述构建电磁场-电路联合方程，求解电磁场分布与端口电压及电流，并计算电磁场损耗与器件功耗的步骤，具体包括：

13、第一步，基于电磁场中的电场及电流密度与端口电压、端口电流的耦合约束关系，将电磁场离散方程与电路离散方程联立，构建电磁场-电路联合方程；

14、第二步，求解第一步得到的电磁场-电路联合方程，获取电磁场分布与端口电压及电流；

15、第三步，根据第二步获取的电磁场分布计算电磁场损耗，并基于第二步得到的端口电压及电流计算器件功耗。

16、优选地，所述将电磁场损耗与器件功耗作为热源，分别采用有限元法与紧凑热模型构建热场与热路离散方程的步骤中，所述热场与热路离散方程的构建步骤包括：

17、第一步，采用块体-表面热阻法对紧凑热模型进行热路建模；

18、第二步，将电磁场损耗作为热场的热源，将器件功耗作为热路的热源，采用有限元方法对热传导方程进行空间离散，并结合一阶后向差分策略进行时间离散，得到热场与热路离散方程。

19、优选地，所述构建热场-热路联合方程，求解温度分布与器件结温，并基于温度更新材料参数和器件参数的步骤，具体包括：

20、第一步，构建并求解热场-热路联合方程，获取温度分布以及紧凑热模型中器件的结温；

21、第二步，根据第一步获取的温度结果，更新受温度影响的材料参数和器件参数。

22、优选地，所述按照预设时间步长逐时刻求解，最终获得完整的电热瞬态响应的步骤中，时间步进求解循环沿时间轴逐次推进，用于捕捉并记录各时刻的电磁场和温度场响应。

23、与现有技术相比，本发明通过构建物理空间场（电磁场、热场）与集总网络（电路、热路）的协同模型，将计算复杂度极高的三维电热多物理场耦合仿真转化为通过端口交互的场路协同仿真，有效地降低了瞬态仿真的计算复杂度，在保证精度的前提下，显著缩短了集成电路封装的电热耦合仿真时间。

1.一种基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，其特征在于，所述基于集成电路封装的电磁场与电路特性，分别采用间断伽辽金法与改进节点分析法构建电磁场与电路离散方程的步骤中，所述电磁场与电路离散方程的构建步骤包括：

3.根据权利要求1所述的基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，其特征在于，所述构建电磁场-电路联合方程，求解电磁场分布与端口电压及电流，并计算电磁场损耗与器件功耗的步骤，具体包括：

4.根据权利要求1所述的基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，其特征在于，所述将电磁场损耗与器件功耗作为热源，分别采用有限元法与紧凑热模型构建热场与热路离散方程的步骤中，所述热场与热路离散方程的构建步骤包括：

5.根据权利要求1所述的基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，其特征在于，所述构建热场-热路联合方程，求解温度分布与器件结温，并基于温度更新材料参数和器件参数的步骤，具体包括：

6.根据权利要求1所述的基于场路协同的集成电路封装瞬态电热仿真方法，其特征在于，所述按照预设时间步长逐时刻求解，最终获得完整的电热瞬态响应的步骤中，时间步进求解循环沿时间轴逐次推进，用于捕捉并记录各时刻的电磁场和温度场响应。