當前半導體產業正快速邁向三維積體電路（3D-IC）技術，以滿足高效能、小型化與低功耗等市場需求。尤其在人工智慧（AI）、5G、物聯網（IoT）及車用電子等應用驅動下，3D-IC 具備的晶粒堆疊能力與短距互連優勢，使其成為新一代晶片設計的關鍵。然而，這項創新技術同時也引發前所未有的熱與結構挑戰，直接影響封裝結構的完整性與裝置可靠性。

解決積體電路（IC）開發中的工程挑戰

雖然電子可靠性以及訊號與電源完整性（SI/PI）一直是 IC 設計的核心，並已建立起成熟的技術，但隨著 2.5D/3D-IC 的出現，則帶來了前所未有的熱與結構挑戰。在製造與運作過程中所產生的機械與熱機應力，對結構可靠性構成重大風險，而傳統設計方法已難以應對日益複雜的模型，這也影響到設計週期與產品良率。

晶片的垂直堆疊會產生高度應力，增加翹曲或裂紋的風險。此外，密集的堆疊也加劇了熱量的累積，必須依賴先進的熱管理方案來處理。即使是輕微的翹曲也可能導致組裝缺陷，進而降低良率。因此，3D-IC 的結構設計必須具有足夠的彈性，以減少應力，同時確保翹曲維持在可接受範圍內。

互連可靠性也成為一項關鍵因素，穿矽通孔（TSV）與錫球微凸點必須能承受應力與因熱循環所引起的疲勞。隨著微凸點與銅柱凸點的尺寸縮小，其裂紋與疲勞破壞的風險也相對提高。此外，涉及熱、機械與電性耦合的多物理模擬本身極具複雜性，這對模擬工具與方法論提出了更高的要求，必須依賴堅實可靠的工具與流程來因應。

Ansys 提供的一系列模擬工具，正是解決這些挑戰的關鍵。

Redhawk-SC Electrothermal 軟體為半導體設計工程師提供熱與機械應力快速簽核能力，協助分析晶粒堆疊設計中的熱傳導、溫度分布與熱機應力影響。其直覺的操作介面，即使非分析專業人士也能快速完成結構驗證。

針對更深入的結構與熱設計分析，半導體封裝團隊則仰賴業界領先的物理模擬工具，如 Ansys Mechanical、Ansys LS-DYNA 以及 Ansys Icepak。ANSYS Mechanical 軟體可進行詳細的熱傳與應力分析，協助工程師優化材料選擇與結構設計，以降低翹曲並提升可靠性。設計優化策略包括在高應力區域降低 TSV 密度，並採用高準確度的最佳結構模擬求解器（如 ANSYS Mechanical 和 ANSYS LS-DYNA）進行多層次子模型分析，可精準模擬複雜封裝結構的應力與變形行為，降低結構風險、提升整體可靠性。Icepak 則專注於 CFD 熱模擬，協助設計工程師優化散熱與冷卻策略，確保整體熱完整性。此外，各工具之間可共享模擬邊界條件與結果，大幅提升跨模擬領域的協作效率。

實務案例方面，東芝（Toshiba）透過模擬工具在設計初期就識別並修正關鍵失效機制，大幅提升車用晶片可靠性。某國際半導體企業則利用 Icepak 成功優化堆疊晶粒的熱散設計，兼顧效能與可靠性。台積電（TSMC）更進一步將 Ansys Mechanical 用於分析因熱梯度引起的應力問題，並在 Microsoft Azure 雲平台上高效執行，滿足大規模 2.5D/3D-IC 設計的時程與模擬需求。