刘胜院士、郭宇铮等：多尺度模拟驱动先进电子封装技术

本综述主要围绕多尺度模拟技术在先进电子封装中的应用展开，深入探讨了电、磁、热、机械和流体多物理场耦合方法的挑战及解决方案，提出了结合宏观尺度的有限元、微观尺度的分子动力学和密度泛函理论的多尺度仿真方法，并阐明了如何将多尺度仿真方法应用于电子封装中关于材料特性、界面失效、热管理、电迁移和应力分析等的研究。通过理论分析与实验验证相结合的方式，展示了多尺度模拟在解决电子封装复杂问题上的有效性和潜力。本综述为电子封装的设计与优化提供了强有力的工具，有助于推动先进电子封装技术的发展与创新。

中文标题：多尺度模拟驱动先进电子封装技术

英文原题：The application of multi-scale simulation in advanced electronic packaging

通讯作者：刘 胜，武汉大学

郭宇铮，武汉大学

赵彦普，武汉大学

第一作者：余 伟，武汉大学

程书灿，武汉大学

李泽源，武汉大学

关键词：先进电子封装、多物理场耦合、多尺度模拟、机器学习、有限元仿真

背景介绍

随着电子设备的不断小型化、功能化以及工作频率和功率密度的提升，电子封装内部产生的电磁、热、机械等多物理场之间的相互作用日益复杂，这对电子封装的性能和可靠性提出了更高要求。传统的单一尺度模拟方法已难以满足对电子封装内部微观机制及宏观性能全面准确预测的需求。因此，多尺度模拟技术应运而生，成为研究先进电子封装性能、优化设计方案的重要手段。

研究成果

武汉大学刘胜院士、郭宇铮教授和赵彦普教授的联合研究系统论述了多尺度模拟在先进电子封装中的应用，涵盖了电子封装的多物理场耦合、多尺度模拟技术的发展（如图1所示）以及这些技术在电子封装设计和性能评估中的应用与挑战。

图1 多尺度模拟在先进电子封装中的应用

首先介绍了电子封装的重要性和复杂性，指出了随着微型化、性能提升和可靠性要求的不断提高，电子封装在热管理、新材料和制造技术方面面临的新挑战。如图2所示，本文阐明了电、磁、热、机械等物理场之间的耦合关系，指出了其对电子封装性能评估的重要性。

图2 电子封装中的多场耦合关系

在多尺度模拟技术方面，文章系统总结了近年来的发展，包括宏观尺度的有限元方法、微观尺度的分子动力学和密度泛函理论，以及用于连接不同尺度的机器学习方法。这些技术为电子封装中材料性能、界面失效、热管理、电迁移和应力分析等的研究提供了强有力的模拟工具。

文章还探讨了多尺度模拟技术在电子封装中面临的挑战，包括系统组成的复杂性、跨尺度模拟的困难以及计算资源的限制。尽管如此，多尺度模拟技术已经在提高电子封装设计的准确性和效率方面显示出巨大潜力，为电子封装设计提供了新的思路和方法，对于推动电子工程领域的发展具有重要意义。

未来方向

多尺度模拟技术在电子封装领域的应用将呈现出以下趋势：一是模拟精度和效率的不断提升，使得电子封装的设计更加精确和高效；二是跨尺度模拟能力的不断增强，为新型材料和结构的开发提供有力支持；三是多物理场耦合模拟算法的持续优化和创新，为电子封装性能的全面评估和优化提供新的手段和方法。这些发展趋势将共同推动电子封装技术的不断进步和创新发展。

主要作者简介

刘胜 武汉大学动力与机械学院教授，工业科学研究院执行院长、微电子学院副院长。中国科学院院士，以第一完成人获国家科学技术进步一等奖、国家技术发明奖二等奖等多项国内外奖项。电气和电子工程师协会（IEEE）会士（Fellow），美国机械工程师学会（ASME）会士（Fellow）。

郭宇铮 武汉大学动力与机械学院院长，工业科学研究院、电气与自动化学院、中南医院教授，储能与新能源系系主任。致力于微纳制造、半导体器件与器件协同设计、储能材料与器件等方面的研究。主持中组部、科技部、国家自然科学基金委重点项目等多项基金。

赵彦普 武汉大学电气与自动化学院教授。致力于工程电磁场数值算法、多物理场耦合分析技术、电气装备快速优化设计方法以及工程有限元软件开发等方面的研究。

余伟 武汉大学在站博士后。致力于微纳制造、半导体器件与器件协同设计等方面的研究。

程书灿 武汉大学在读博士。致力于电磁场数值算法、多物理场耦合分析技术等方面的研究。

李泽源 武汉大学在读博士。致力于微纳制造、多物理场仿真及机器学习等方面的研究。

引用本文

Wei Yu, Shucan Cheng, Zeyuan Li et al., The application of multi-scale simulation in advanced electronic packaging. Fundamental Research, 4(6) (2024) 1442-1454.

原文链接（复制到浏览器中查看）：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001420

文章阅读：

www.sciencedirect.com/journal/Fundamental-Research