數(shù)字孿生在今年的 SEMICON West 上占據(jù)了討論的主導(dǎo)地位，出現(xiàn)在主題演講、小組會(huì)議和研討會(huì)中。這次談話反映了行業(yè)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的看法發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變。

曾經(jīng)主要與設(shè)計(jì)探索相關(guān)的內(nèi)容現(xiàn)在跨越了制造生命周期。在封裝和裝配領(lǐng)域，數(shù)字孿生正在成為一種將設(shè)計(jì)意圖與流程執(zhí)行聯(lián)系起來、監(jiān)控多個(gè)階段的變化以及在某些情況下實(shí)時(shí)規(guī)定糾正措施的方式。

虛擬化包裝的壓力越來越大。先進(jìn)的集成方案正在增加工程師必須管理的變量數(shù)量?；ミB更緊密，材料更多樣化，系統(tǒng)要求也更苛刻。即使是平面度、熱膨脹或翹曲的微小偏差也會(huì)引發(fā)級(jí)聯(lián)故障。雖然統(tǒng)計(jì)過程控制、配方鑒定和下游根本原因分析等傳統(tǒng)方法仍然很重要，但一旦出現(xiàn)問題，它們的反應(yīng)往往太慢，無法防止產(chǎn)量損失。工程師正在尋找能夠更早預(yù)測(cè)問題并在損壞發(fā)生之前提供可作選擇的工具。

“客戶要求異構(gòu)集成路徑，在單個(gè)封裝中包含多種芯片類型，”Amkor總裁兼首席執(zhí)行官Giel Rutten說?！盀榱吮３之a(chǎn)量和可靠性，我們不能僅僅依賴反應(yīng)性修復(fù)。我們必須預(yù)先模擬耦合、應(yīng)力和熱相互作用。

圖 1：Amkor 首席執(zhí)行官 Giel Rutten 在 Semicon West 討論先進(jìn)封裝挑戰(zhàn)。資料來源：Gregory Haley/Semiconductor Engineering

這一觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了為什么該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向封裝數(shù)字孿生。它們沒有取代物理測(cè)試或檢查，而是提供了一個(gè)預(yù)測(cè)層，用于在問題在線顯現(xiàn)之前了解芯片、基板和材料之間的相互作用。

作為反饋引擎
進(jìn)行測(cè)試許多公司首先在封裝級(jí)測(cè)試單元中試驗(yàn)孿生。測(cè)試提供了衡量包裝性能的早期機(jī)會(huì)，但從歷史上看，測(cè)試數(shù)據(jù)僅用于回顧性分析。記錄故障，工程師調(diào)查原因，并在事后采取糾正措施。

在測(cè)試單元構(gòu)建的數(shù)字孿生改變了這種動(dòng)態(tài)。通過模擬探頭行為、負(fù)載板應(yīng)力和封裝邊界，它可以提供出現(xiàn)問題的早期信號(hào)，并在良率崩潰之前將該信息反饋回裝配中。

“在我們的測(cè)試單元孿生中，我們模擬了探測(cè)環(huán)境、負(fù)載板和封裝邊界，”Cohu Analytics 解決方案公司 Tignis 的解決方案工程總監(jiān) Boyd Finlay 說?！斑@使我們能夠提前檢測(cè)信號(hào)和熱應(yīng)力問題，并相應(yīng)地調(diào)整封裝參數(shù)。”

這種方法將測(cè)試從通過-失敗檢查點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒虄?yōu)化的反饋機(jī)制。如果模型檢測(cè)到接觸電阻上升，它可以建議改變粘結(jié)壓力。如果它看到熱應(yīng)力的產(chǎn)生，則可能表明底部填充固化條件發(fā)生了變化。挑戰(zhàn)在于速度和準(zhǔn)確性。模型必須足夠快地運(yùn)行以匹配大批量測(cè)試的速度，并且它們必須可靠地將真實(shí)漂移與隨機(jī)噪聲區(qū)分開來。

從晶圓廠到裝配
的前饋將測(cè)試孿生連接到裝配和封裝只是其中的一部分。導(dǎo)致封裝故障的許多變量都源于晶圓加工。沉積厚度、圖案均勻性或缺陷密度的變化通常在組裝過程中表現(xiàn)為應(yīng)力或錯(cuò)位。為了可信，封裝孿生必須從晶圓廠和計(jì)量模型中吸收前饋數(shù)據(jù)，以便它們反映真實(shí)的輸入，而不是理想化的假設(shè)。

“為了使封裝孿生在大規(guī)模上具有可信度，您需要從晶圓測(cè)試到組裝的前饋，將晶圓坐標(biāo)通過基板映射到封裝中，”PDF Solutions 解決方案架構(gòu)高級(jí)總監(jiān) Marc Jacobs 說。“否則，雙胞胎對(duì)上游變化視而不見?！?/p>

這種對(duì)連續(xù)性的需求延伸到了在設(shè)備層面開發(fā)的工藝模型。蝕刻和沉積的模擬已經(jīng)降低了晶圓廠的風(fēng)險(xiǎn)。將這些模型向下游擴(kuò)展到封裝中，可以讓工程師對(duì)互連層或表面形態(tài)在組裝后的表現(xiàn)有現(xiàn)實(shí)的期望。

“我們需要在多個(gè)尺度上進(jìn)行仿真——系統(tǒng)級(jí)、電路板級(jí)、封裝級(jí)、芯片級(jí)和IP級(jí)，”新思科技旗下的Ansys研發(fā)高級(jí)總監(jiān)Sudarshan Mallu說?！耙恍┬⌒酒赡芤呀?jīng)完全實(shí)施，而另一些小芯片仍處于平面規(guī)劃或 RTL 階段。我們需要能夠吸收不同抽象并一起分析的方法和仿真功能。

預(yù)測(cè)方法還可以利用稀疏計(jì)量學(xué)與基于物理的算法相結(jié)合。這些模型沒有嘗試測(cè)量每個(gè)晶圓和每個(gè)芯片，這是不切實(shí)際的，而是使用有限的數(shù)據(jù)點(diǎn)來推斷工藝漂移。當(dāng)傳遞到下游時(shí)，該信息允許打包孿生模擬微小的上游偏差如何影響裝配結(jié)果。

“我們使用稀疏計(jì)量和肖克利建模來推斷上游漂移，”西門子 EDA 產(chǎn)品管理總監(jiān) Joe Kwan 說。“這些信息成為下游孿生的上下文輸入，例如打包或測(cè)試?！?/p>

圖 2：西門子 EDA 的 Joe Kwan 在 Semicon West 上分享數(shù)字孿生演示。資料來源：Gregory Haley/Semiconductor Engineering

更大的愿景是一連串相互關(guān)聯(lián)的孿生，涵蓋從設(shè)計(jì)到晶圓廠、封裝和測(cè)試。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通知下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而更全面地了解設(shè)備如何從晶圓演變到成品系統(tǒng)。然而，障礙是巨大的?？缃M織邊界調(diào)整數(shù)據(jù)格式、保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和同步模型需要新的框架。然而，即使是部分采用也被證明是有用的。

當(dāng)雙胞胎變得規(guī)范時(shí)
當(dāng)雙胞胎超越預(yù)測(cè)進(jìn)入處方時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加。診斷模型可能會(huì)告訴工程師空隙率正在增加，但規(guī)范性模型可以運(yùn)行場(chǎng)景并提出具體的調(diào)整建議。在試點(diǎn)案例中，這些模型已經(jīng)建議在運(yùn)行中期更改參數(shù)以回收否則會(huì)丟失的產(chǎn)品。工程師仍然處于控制之中，但模型可以評(píng)估權(quán)衡并提出最安全的選擇這一事實(shí)代表著邁向閉環(huán)作的重要一步。

“在構(gòu)建預(yù)測(cè)模型時(shí)，您基本上有兩種選擇，”EMD Electronics 數(shù)字解決方案運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)科學(xué)和數(shù)字業(yè)務(wù)主管 Gianni Klesse 說?！耙环N是依賴基于物理和化學(xué)的機(jī)理模型。二是依賴根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)理模型幾乎總是無法進(jìn)行大量化學(xué)，因此機(jī)器學(xué)習(xí)是我們數(shù)字孿生的引擎。如果我們只部署一個(gè)靜態(tài)模型，它最終會(huì)漂移并變得不可靠。這就是為什么強(qiáng)大的人工智能需要持續(xù)監(jiān)控、定期再訓(xùn)練和嚴(yán)格量化不確定性的原因。

這個(gè)承諾是令人信服的。小而及時(shí)的校正可以避免數(shù)千臺(tái)設(shè)備免于報(bào)廢，但風(fēng)險(xiǎn)同樣明顯。如果模型校準(zhǔn)不當(dāng)，其建議可能會(huì)加劇問題。如果它不能足夠快地運(yùn)行，它的建議可能會(huì)來得太晚，無關(guān)緊要。目前，大多數(shù)實(shí)施都是咨詢性的，為工程師提供建議的行動(dòng)方案，同時(shí)將決策權(quán)交給人類。雙胞胎最終是否會(huì)被信任自主行動(dòng)仍然是一個(gè)懸而未決的問題。

隨時(shí)間
推移的可靠性建模除了產(chǎn)量之外，長(zhǎng)期可靠性正在成為雙胞胎可能提供價(jià)值的另一個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的可靠性測(cè)試依賴于加速應(yīng)力方法，例如熱循環(huán)、濕度暴露和電遷移分析。這些測(cè)試速度慢且成本高昂，并且無法在線進(jìn)行。將退化模型嵌入到封裝孿生中提供了一種虛擬模擬生命周期行為的方法，從而提供有關(guān)潛在故障模式的早期反饋。

“我們將化學(xué)穩(wěn)定性、擴(kuò)散和應(yīng)力隨時(shí)間推移的模型嵌入到雙胞胎中，”Klesse 說?！斑@可以讓您模擬粘合劑或密封劑在數(shù)月或數(shù)年后如何降解?！?/p>

此功能使工程師能夠權(quán)衡短期產(chǎn)量和長(zhǎng)期耐用性，同時(shí)優(yōu)化材料和工藝。但可靠性領(lǐng)域也有其自身的挑戰(zhàn)。模型依賴于將加速應(yīng)力數(shù)據(jù)縮放到現(xiàn)實(shí)世界的條件下，如果這些縮放定律不一致，則預(yù)測(cè)將與現(xiàn)場(chǎng)性能不匹配。根據(jù)實(shí)際故障數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)至關(guān)重要。

數(shù)字孿生也正在進(jìn)入設(shè)計(jì)領(lǐng)域。多芯片系統(tǒng)在分區(qū)、互連和供電方面存在困難的選擇。在設(shè)計(jì)早期做出的決定直接影響裝配過程中發(fā)生的情況。如果在沒有制造業(yè)的現(xiàn)實(shí)反饋的情況下做出這些選擇，工程師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己在不切實(shí)際的道路上走得太遠(yuǎn)。使用數(shù)字孿生進(jìn)行架構(gòu)探索可以幫助在流片之前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，使團(tuán)隊(duì)能夠比較權(quán)衡與封裝限制。

“當(dāng)我們進(jìn)入多芯片（基于硅、基于小芯片的封裝）時(shí)，許多客戶仍然想知道何時(shí)該下跌，”新思科技研發(fā)執(zhí)行董事 Sutirtha Kabir 說?！瓣P(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是擴(kuò)展、重用和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。如果沒有基于孿生的架構(gòu)探索，你就有可能在一條后來被證明是行不通的道路上走得太遠(yuǎn)。

這強(qiáng)化了雙胞胎不僅限于生產(chǎn)車間的想法。它們是連接設(shè)計(jì)和制造的更廣泛生態(tài)系統(tǒng)的一部分。當(dāng)數(shù)據(jù)可以雙向移動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)為工藝選擇提供信息，制造反饋到設(shè)計(jì)中，節(jié)省成本和減少時(shí)間的潛力就會(huì)顯著提高。

采用
障礙一些未解決的挑戰(zhàn)削弱了對(duì)數(shù)字孿生的熱情。首先是數(shù)據(jù)信任。封裝孿生需要來自晶圓加工、組裝和測(cè)試的信息，通?？缭焦具吔纭＿@引發(fā)了人們對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂。如果沒有安全的框架和明確的治理，公司可能會(huì)猶豫是否提供有意義的模型所需的深度數(shù)據(jù)。即使在單個(gè)組織內(nèi)，也可能存在限制集成的孤島。僅看到部分信息的數(shù)字孿生可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)性而不是預(yù)測(cè)性。

與之密切相關(guān)的是模型信任問題。工程師不會(huì)采用數(shù)字孿生，除非其預(yù)測(cè)始終與現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)果相匹配。驗(yàn)證不是一次性事件。必須經(jīng)常根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢查模型以檢測(cè)漂移。在早期試驗(yàn)中表現(xiàn)良好的模型可能會(huì)隨著工藝配方的發(fā)展、材料的變化或包裝類型的多樣化而出現(xiàn)分歧。持續(xù)重新校準(zhǔn)至關(guān)重要，但它會(huì)消耗資源并且需要嚴(yán)格的相關(guān)性研究。

另一個(gè)障礙是可解釋性。工程師不太可能在不了解背后的原因的情況下遵循黑盒建議。如果模型建議增加壓力或改變固化時(shí)間，團(tuán)隊(duì)需要知道原因?；谖锢淼膶\生的優(yōu)點(diǎn)是以工程師熟悉的方程為基礎(chǔ)，但對(duì)于實(shí)時(shí)使用來說，它們可能太慢了。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)模型運(yùn)行得更快，但它們通常是不透明的。

現(xiàn)在正在探索混合方法，但它們需要提供工程師可以評(píng)估的解釋。如果沒有可解釋性，無論預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性如何，采用都會(huì)停滯不前。

延遲和計(jì)算成本對(duì)實(shí)施造成了很大影響。只有當(dāng)模型能夠足夠快地執(zhí)行以跟上生產(chǎn)速度時(shí)，實(shí)時(shí)校正才重要。高保真物理模擬是出了名的緩慢。降階模型為了速度而犧牲了細(xì)節(jié)，但它們可能會(huì)錯(cuò)過重要的交互。將 AI 添加到組合中會(huì)有所幫助，但訓(xùn)練和維護(hù)這些模型會(huì)增加開銷。在部分?jǐn)?shù)據(jù)或近似值上運(yùn)行的打包孿生可能會(huì)提供一些價(jià)值，但在它們能夠在大批量制造窗口內(nèi)提供可作的結(jié)果之前，它們的使用將仍然受到限制。

一般性是另一個(gè)問題。包裝發(fā)展迅速。在一代中介層或材料堆棧上訓(xùn)練的模型可能不適用于下一代。工程師擔(dān)心再培訓(xùn)的成本和過度擬合的風(fēng)險(xiǎn)。遷移學(xué)習(xí)方法正在研究中，但很少有方法在多代封裝技術(shù)中得到證實(shí)。該行業(yè)將需要隨著流程的變化而更新和調(diào)整孿生的策略，而不必每次都從頭開始重建它們。

“雙胞胎不僅僅是一個(gè)一勞永逸的模型，”PDF 的雅各布斯說。“你需要一個(gè)框架來進(jìn)行持續(xù)驗(yàn)證、漂移檢測(cè)，以及在底層流程發(fā)展時(shí)進(jìn)行再訓(xùn)練。沒有這一點(diǎn)，看起來像預(yù)測(cè)工具的東西就會(huì)變成一種負(fù)擔(dān)。

設(shè)計(jì)和 EDA 專家也贊同這一警告觀點(diǎn)，他們表示，如果沒有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集成，封裝孿生將失敗。他們認(rèn)為，除非就制圖、坐標(biāo)和界面的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致，否則模型將保持碎片化。

“我們看到了確保設(shè)計(jì)和制造一致性的挑戰(zhàn)，”新思科技的 Kabir 說?！皵?shù)字孿生必須充當(dāng)橋梁，而不是另一個(gè)孤島。否則，你最終會(huì)得到多個(gè)部分視圖，這些視圖加起來并不能構(gòu)成一個(gè)完整的畫面。

可靠性建模又增加了一層復(fù)雜性。可以對(duì)應(yīng)力、擴(kuò)散和退化機(jī)制進(jìn)行建模，但只能在一定程度上建模。從短期加速測(cè)試中預(yù)測(cè)長(zhǎng)期性能一直很困難，將這些推斷嵌入到數(shù)字孿生中會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)。高估可靠性的模型可能會(huì)讓過早的故障逃逸到現(xiàn)場(chǎng)。低估可靠性的模型可能會(huì)導(dǎo)致矯枉過正和產(chǎn)量降低。使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)至關(guān)重要，但現(xiàn)場(chǎng)返回很少見且累積緩慢。

還有組織和文化障礙。許多晶圓廠和 OSAT 都習(xí)慣于保護(hù)他們的數(shù)據(jù)。分享它，即使是抽象的形式，也會(huì)挑戰(zhàn)既定的做法。EDA、設(shè)備和裝配公司之間的合作是必要的，但調(diào)整這些參與者之間的激勵(lì)措施絕非易事。行業(yè)團(tuán)體開始討論標(biāo)準(zhǔn)化，但采用需要的不僅僅是技術(shù)解決方案。它將需要平衡競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)與共享基礎(chǔ)設(shè)施的新商業(yè)模式。

孿生的下一步
走向盡管存在這些障礙，但人們對(duì)包裝數(shù)字孿生的興趣仍在繼續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)槠鋬?yōu)勢(shì)非常引人注目。如果雙胞胎能夠在漂移成為故障之前發(fā)現(xiàn)漂移，建議在運(yùn)行中途進(jìn)行工藝更改，或者突出顯示長(zhǎng)期可靠性風(fēng)險(xiǎn)，可以節(jié)省數(shù)百萬美元的產(chǎn)量和保修成本。將設(shè)計(jì)、晶圓廠、封裝和測(cè)試鏈接到一個(gè)連續(xù)模型中的可能性仍然令人向往，但軌跡是明確的。

這種勢(shì)頭也是由外部力量推動(dòng)的。市場(chǎng)窗口正在縮小，客戶期望更快地交付復(fù)雜系統(tǒng)，減少意外。與此同時(shí)，產(chǎn)量損失的成本正在攀升。先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的報(bào)廢和返工以及細(xì)間距封裝的成本比過去幾代要高得多，這使得預(yù)測(cè)控制的經(jīng)濟(jì)理由更加強(qiáng)大。

大多數(shù)工程師更喜歡提供建議的咨詢系統(tǒng)，讓人類專家做出最終決定。與航空業(yè)自動(dòng)駕駛儀的使用一樣，咨詢系統(tǒng)可以減少工作量并處理日常任務(wù)，但飛行員仍然負(fù)責(zé)在異常情況下做出判斷。包裝雙胞胎可能會(huì)遵循相同的軌跡，從咨詢輔助工具開始，隨著信心的建立，慢慢進(jìn)入更具規(guī)范性的角色。

數(shù)字孿生的推動(dòng)也與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和邊緣計(jì)算等更大的行業(yè)趨勢(shì)相交。隨著越來越多的傳感器添加到設(shè)備中，以及人工智能工具在處理嘈雜的多維數(shù)據(jù)方面的改進(jìn)，實(shí)時(shí)模型的可行性也隨之增加。但沒有物理的人工智能可能會(huì)變得脆弱，而沒有人工智能的物理可能會(huì)變得太慢。真正的價(jià)值可能在于將兩者結(jié)合起來，使用物理來約束模型，使用人工智能來加速其執(zhí)行。找到適當(dāng)?shù)钠胶鈱⑹俏磥硎臧b雙胞胎面臨的決定性挑戰(zhàn)之一。

“挑戰(zhàn)不僅僅是構(gòu)建孿生，還在于使其在真實(shí)環(huán)境中可用，并在準(zhǔn)確性、速度和可解釋性之間取得適當(dāng)?shù)钠胶?，”西門子的 Kwan 說?！叭绻こ處煵荒苊刻焓褂盟敲茨Ｐ投嗝磧?yōu)雅也無關(guān)緊要。”

結(jié)論
隨著技術(shù)的成熟，數(shù)字孿生的范圍可能會(huì)擴(kuò)大。最初是優(yōu)化單個(gè)流程步驟的一種方式，可能會(huì)演變成管理整個(gè)裝配線的框架。孿生可用于調(diào)度工具、優(yōu)化物料流，甚至模擬勞動(dòng)力需求?？煽啃詫\生可以成為客戶溝通的一部分，提供長(zhǎng)期耐用性的證據(jù)。設(shè)計(jì)集成孿生可以通過更早地驗(yàn)證架構(gòu)來縮短上市時(shí)間。

但所有這些都取決于對(duì)數(shù)據(jù)、模型和支持它們的生態(tài)系統(tǒng)的信任。如果沒有這種信任，雙胞胎就有可能成為另一層復(fù)雜性，而不是解決方案。有了它，他們可以將包裝從一門被動(dòng)的學(xué)科轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N預(yù)測(cè)性和規(guī)范性的學(xué)科，使設(shè)計(jì)意圖與制造現(xiàn)實(shí)保持一致。

數(shù)字孿生的出現(xiàn)不是因?yàn)樗鼈兒軙r(shí)尚，而是因?yàn)樗鼈兊奶娲桨缸兊秒y以管理。復(fù)雜性正在超過傳統(tǒng)方法。包裝已成為一個(gè)關(guān)鍵的咽喉要道，小錯(cuò)誤可能會(huì)演變成大故障。工程師需要新的工具來應(yīng)對(duì)。盡管面臨所有挑戰(zhàn)，但數(shù)字孿生是最有前途的方法之一。