ANSYS在多芯片组件仿真设计中的最新应用进展

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第 8卷， 2期第V 1 8 No 2 o,. .

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总第 5期 820 0 8年 2月

ELECTRoNI CS& PACKAGI NG

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A YS在多芯片组件仿真设计中的最新应用进展术 NS李兵，陈雪峰，赵大伟，何正嘉 1一， 2(1 .西安交通大学机械工程学院，西安 7 0 4: 1 0 9

2西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安 7 0 4 . 0 9) 1

摘

要：多芯片组件 MC ( l hp Mo ue)近年来迅速发展的一种电子封装技术。随着芯 M Mut C i d l是 i

片封装密度的增加，计算机辅助设计 C E技术对其可靠性进行仿真分析显得越来越重要。文章综合介 A绍了A S软件在 MC器件仿真设计中的最新应用进展， N YS M然后详细介绍了A Y软件在MC NS S M封装、 焊点疲劳和跌落分析中的应用情况。关键词：M C;封装；C M AE;ANS YS

中图分类号：T 4 5 7 N 0. 9

文献标识码：A

文章编号：18一0 0 (0 8 20 1 .4 6 l17 2 0 )0—0 20

Ne De eo m e to CM sg y ANS m ulto w v l p n f M De i n b YS Si a i n

L ig, H NXu— n, H aw i, EZ eg i I n C E e eg~ Z AOD— e一 H hn -a B一 f j(1 S h o . c o lfMe h nc l n ie r g Xi nJa tn ie sy X’n7 0 4, hn; o c a ia g n e i,’ ioo gUnv ri, i 0 9 C ia E n a t a 1 2 Sae yL b r tr f, nf cu igS se ’n￣a tn nv ri, i n7 0 4, hn , tt a o aoy o. Ke Ma ua tr y tm, a n oo g U iest X’ 1 0 9 C ia) y aAb t a t Thepa k gn c n lg fm ut c i o uei l i p ra t e eo igdie to co- e sr c: c a i gt h oo y o l hp m d l salm o t n v l pn r ci ni mi r l c- e i d n e to i

a ka i gt c n l g n t u u e W iht ed v l p e to i a k g e st n r a i g t ec m - r n cp c g n e h o o yi f tr . t e eo m n fd ep c a ed n i i ce sn, h o he h y

p tr i n iern ( AE)fr ue de gn eig C a o MCM l blya ay i b c me r dmo e mp ra tI i a e, r i i t n lss e o s ea i moea r ot .nt s p r n i n h pten w e eo me t fM CM ei nb NS o wa esmu aini ic s e . ef n to s f h e d v l p n o d sg yA YS s f r i lt ds u s d Th ci n ANSYSa d t o s u o n isa p iai n n teM CM a k g n, o d ftg e a dd o e t r r d c d i eal. t p lc t si o h p c a i g s l ai u, n r p ts ei o u e d t s a nt n iKe r s M CM; a k gn; ywo d: p c a ig CAE; ANS YS

应增大，微处理器和通讯产品 I c的时钟频率提高到了

1引言 多芯片组件 MC ( l hpMo ue是将多 M MutC i d l ) i个集成电路裸芯片，高密度地封装互连在多层布线的基板上，然后封装起来构成能完成多功能、高性能的一

千兆赫的范围，从而导致了一系列诸如器件温度升高，功耗密度增大的问题。相应地，热、机械应力、

电和磁场及这些因素相互耦合导致产品失效的可能性大大增加。据美国军方的统计，5%的电子产品失效是 5

由热一机械耦合作用造成的【 2】。为了能够使电子器件发挥最佳的性能，提高其工作可靠性，对 MC进行力 M学性能分析具有重要的研究意义。

种新型微电子模块n】。MC的出现标志着电子封装 M

技术进入了一个新纪元。随着 MC被广泛应用于计 M

算机、通信、军事、航空、航天等领域，其可靠性对装备及系统的正常使用起着越来越重要的作用。 由于电子封装工艺的不断提高， M的封装密度也相 MC收稿日期： 07 0—9 2 0—9 1

当前，计算机辅助设计 C E A技术

已经成为电子产品设计的主流。技术人员可以在产品设计的最初阶段用 C E工具全面把握产品的性能，以避免不必要的样 A

基金项目：国家自然科学基金重点项目 ( 0 3 0 0,5 5 5 3,国家重点基础研究发展计划 ( 7 5 353 0 0 0 3) 9 3计划 ) ( 0 5 B7 4 0,教育部高校博士点基金项目 ( 0 4 6 8 2 2 0 C 2 1 0) 2 0 0 9 0 6)和陕西省自然科学基础研究计划 2 0 E 1 05 29一

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兵，陈雪峰，赵大伟，何正嘉：ANSYS在多芯片组件仿真设计巾的最新应用进展

机试验，缩短设计周期，降低成本。A YS软件是 NS由世界最大的 C E软件供应商——美国A Y公司 A NS S开发的有限元分析软件。由于它融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，具有强大的多物理场

焊点、各向异性导电膜 A F C、密封环和玻璃等所有材料的三维 MC M有限元模型，热一结构耦合分析获得了MC的稳态温度场结果和焊点的应力一 M应变曲线n。

日本福井电器株式会社在对集成电路半导体芯片和标准结构的联接方式进行技术改造过程中，采用A Y软 NS S

耦合分析功能，近年来，A YS软件已成为分析电 NS子产品散热、疲劳以及跌落的有力工具¨。】本文综述了AN YS S软件在 MC器件仿真设计 M

件对全过程进行模拟。方法是用电加热使金球熔化， 由毛细管将其压人设置在单晶硅片上的铝电极，并埋住品格。研究的主要目的是降低金球被压人晶格时产生的撞击应力，以确保晶格的使用寿命。他们采用 AN YS S的弹塑性动态分析功能模拟金球压人和晶格被埋住时的应力状态。通过对单晶进行优化设计，单晶的应力比以前降低了 5%n。大连理工大学工业装备 3 结构分析国家重点实验室的葛增杰等针对典型塑料方形

中的最新应用进展。详细介绍了AN YS S软件的功能特点及其在 MC M封装、焊点疲劳和跌落分析中的应用情况。

2 A Y NS S在 MC封装中的应用 MMC封装类似单芯片封装， M有四侧引脚扁平封装 QF P、表面贴装 P A、焊球阵列封装 B G GA等形式H。】

扁平封装体 P F在工作过程中的受热分析问题， QP基于热弹性力学理论建立二

维和三维有限元数值分析模型，研究了封装体在功率耗散情况下受均匀和非均匀热载荷作用时其材料的热膨胀和导热性质u。

由于热是电子设备的致命敌人，因此在 MC封装过 M程中要进行大量的热分析，目的是在最小的空问内布

置元件而又不使它们过热。 M元器件的布局的合理 MC性需要用热分析来决定， N YS A S热分析模块不但可以模拟传导、对流和辐射三种 MC传热方式，而且其 M丰富的二维、三维热分析单元，为求解不同封装密度

考虑到 MC结构的复杂性，通常 MC有限元 M M建模过程几乎占了工程人员整个仿真分析工作的8%。 0

ANS YS提供的高级开发语言 A DL可以方便地实现 PMC产品的参数化有限元建模，而大大减少了分析 M从

的 MC器件散热效率提供了方便。美国Fo eis M lm r c公司工程师Ma n g n j研究了MC n M上不同组件布局方式对散热的影响，采用有限元分析和最优化组件布局优化算法在 MC制造前获得最佳的组件布局方案。 M西安电子科技大学微电子研究所的杨桂杰等讨论了MC M

人员用于建模上所花费的精力。国得克萨斯大学的学美者 Wag n和Noi公司的X等采用多目标设计优化方法 ka u以增加Mc M在交变热载荷的影响下工作可靠性。基于 AN Y建立的参数化的 MC有限元模型，通过优化 SS M焊球直径、绝缘层厚度等几何参数以达到 MC内部热 M应力最佳的结果n。日本 N C公司基于 A S S P L E N Y/ D A

内部热场影响器件可靠性的机理，比较了热场计算的方法和特点，研究了 A Y求解过程， NS S进行了实际计

高级开发语言，构建内置 P GA、B A、S G OP等各种 MC封装方式的封装格式库，实现 MC快速建模和 M M芯片热应力直接耦合分析，特别是实现了对承受瞬态交变热载荷作用下的 MC应力场的快速求解坞。 M卜 此外，北京航空航天大学、桂林电子学院、电子元器件可靠性物理及应用技术国家重点实验室等单位在 MC封装仿真领域也开展了相关的研究[￣1 M 12。 9 1

算，并提出了几种有效的降低结温的方法。上海凯虹电子公司孙先国等利用A YS NS软件建立了半导体霍尔器件的参数化模型，研究了不同设计参数下对其散热特性的影响。文献在 MC热

分析方面也开展了深 M入的研究。

MC器件上连接导线完成封装模块电路，在这 M一

过程中需要进行热一电分析以平衡压降和温度。

A Y NS S塑性分析功能被用来研究 MC装配和制造过 M程中发生的基板翘曲、导线挠曲等现象。新加坡微电子实验室的学者Z ag hn采用A Y/r ot NS SPe s p前处理模块建立了 MC的三维真实模型，计算了其工作状态下 M的热应力和热翘曲，进而指出芯片散热是导致MC M封装焊球失效的主要因素n。学者 C e等分析了 C MS hn O

3 A S S MC焊点疲劳分析中的应用 N Y在 MMC器件上为将芯片和基板相连，布置了大量 M的金属焊点。由于室温已是焊点熔点的一半，因此焊点是 MC器件的薄弱环节伫。焊点所连接的芯片、 M 基板具有不同的热膨胀系数，在长期的循环热载荷作用下，不同材料的热膨胀使金属焊点产生较大的周期

芯片倒装焊封装过程中引起MC M变形的主要原因，利用A Y NS S中八节点空间六面体单元建立了包括芯片、

循环应力变化，由此使金属焊点产生粘塑性变形，引.

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起金属焊点的脱落、开裂等，这是导致电子设备稳定性降低甚至失效的重要原因。 传统的焊点疲劳测试必须依靠加速加大热载荷来实现，测试周期较长。Moooa司的 R D reu trl公 . ava x博

子模型技术研究了用于手机或 P A中的B A芯片的电 D G路板焊点击响应∞。日本 N C集团关西电器株式 E会社的技术人员使用 A S S MC NY对 M器件、手机、笔记本电脑等各类电子产品进行跌落模拟，仿真得到整个跌落过程中产品的力学性能∞。学者 R n等采用梁 e

士采用 A S SA A D粘塑性模型对集成电路、 C N Y/N N PB板、塑封硅胶和金属焊点 ( BGA )进行精确的疲劳

单元和壳单元的简化模型来模拟电路板的冲击响应，与未简化的三维模型对比结果相当符合D; q学者 Te e等对各种封装形式如窄带焊球阵列 T B A、 F G方形扁平无

寿命预测，大大缩短 MC研制周期瞳。三星公司 M技术人员利用 A S S N Y三维有限元模型来研究 2 6 5引脚

塑料球阵列封装的焊点可靠性。在分析中，他们采用了

A A D模型描述锡球 ( 2 n 6 b Ag) N N 6S3 P2的塑性行为，基于锡焊球在每个热循环中积累的粘塑性能量来

引脚封装Q N F和整合式被动元件ID等进行了数值模拟 P和实验验证" 。

预测焊点的寿命。焊点分析中材料参数随温度变化的影响是不可忽视的，由于焊点长时间在高温下工作，必须考虑材料的塑性与蠕变。A S S N Y基于A ND模型的粘塑性分析 NA功能可描述高温下与变形速率相关的金属成型/变形过

5总结 论文综述了近年来 A YS NS软件在 MC M器件封

装、点疲劳寿命计算和跌落仿真方面的具体应用情焊况。可以看到，目前大型工程 C E软件 AN Y A S S已经成功地运用于 MC产品设计的各个阶段。这一领 M域，虽然国内的研究起步较晚，但已有越来越多的科研机构与半导体公司正在开展相关的研究工作，们他的共同努力必将使我国MC M开发水平跃上一个新的台阶

程，能方便地计算出焊点的动态热应力、最终残余应力和变形，为评估焊点可靠性提供了定量依据。Eis n r s公司利用有限元法分析了手机芯片封装焊点的 co热疲劳问题，分析与测试的焊点在热循环载荷下发生

开裂的循环数的误差在 2%以内日。 0

影响焊点疲劳寿命的因素有焊点材料、焊点形状尺寸、封装形式等，利用 A YS A D NS/ P L参数化语言可建立焊点、引脚、基座和封装等元器件库，这些标准元器件的尺寸都是参数化的，另外对所有材料可建立相应的材料库。 M公司每年需进行大量焊点、 3焊脚分析，为此 3 M公司采用 A S S的A D NY P L语言建立了焊点的标准部件库，从而可自动建立焊点/的模脚型，大大提高了分析效率…】。参考文献：[ 1]徐晨，孙海燕，等 .多芯片组件技术应用实例【】电 J.子元器件与材料，2 0 0 5, 1:4— 4 1 24 .

[ 2]史建卫，徐波，等 .MT焊点质量监测方法【】电子 S J.工业专用设备，2 0, 1 8:2— 3 05 2 63.

[ 3]H agY J Gu H F . eiblyadrua it u n , oM, uSL R l it n tbly a i o ic n ie ainf rMCM lc me tJ. c o lcr nc o sd r t o o pa e n[] Mi

r ee to isRe i iiy lab lt,20 02, 42: 8— . 3 91

4 ANS YS在 MC跌落分析中的应用 M装有 MC器件的电子产品在运输和使用过程中， M

[ T mmaaR R R maz wsi, lpe s i . 4] u l , y se k E J K o fnt nA K eMiree t nc a kn a d o kM] Klwe a e c co lcr is c igh n b o[ . u r o p Ac d miPu ihe s 2 . bls r, 001

跌落和碰撞时有发生。分析 MC由于碰撞或跌落产生 M的力、变形、振动响应对整个电子系统的结构强度、联接设计、抗冲击性能具有重要的意义。 N Y专用的跌 A SS落仿真模块 D M ( o et d l引导分析人员 T DrpT sMo ue) 完成跌落分析全过程。模块中，部件之间的接触、地面

[ ANS SIcAN YSee ns eeec . w lhe io . 5] Y . S lmet rfrne T ef dt n n t iCa o s u g S P I c 2 01 1— 6 n n b r: AS I .0: 9 2 . n

[ Ma nn 针对最佳散热效果的组件布局的选择【 . 6] n igA. J今】日电子， 2 0 0 6,6:3— 0 94 .

[ 7]杨桂杰，杨银堂，等 .多芯片组件热分析技术研究【】 J.微电子学与计算机，2 0 0 3,7 8 8 .:7— 0

单元的创建都可由程序自动完成。台湾义守大学学者

Hs等研究了MC u M无铅焊点受J S 2B10跌落测试 E D2- A 1标准规定的几种冲击载荷作用下的应力响应，子模型技术被用于细致刻画焊点位置的等效应力∞。美国索 尼爱立信公司工程师 Z u h应用 A S S N Y跌落仿真模块和一

[孙先国，等.导体霍尔器件热特性参数化分析【】 8]半 A.20 0 6年 ANS用户年会论文集，2 0 . YS 06[ 9]Bo k JL h e . h ema po et so l o e l i, e nr T et r l rpr e f ic nd - c F h i sitc r s d nhg n r yp y i[] T e rc e i f e t s e ihe eg h s sA . h o e dn o o u i c p g

1一 4

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兵，陈雪峰

,赵大伟，何正嘉：ANS YS在多片组件仿真设计中的最新应用进展

20 S S u e s AN S S I c, 0 02AN Y s r, Y n . 2 02.

I E EE ECTC, a g s NV’1 9 L sVe a, 9 9: 1 4— 5 . 8 1 8 0 0

[ 0] o o eOh E gK n e, o eY nL o e 1 1 Bo nH w , n wo gL e H w i o, t . aPa ka e Rou i g a d Th m a nayss o M u t— c g tn n er l A l i n A liChi p

[ 5]L Z a g e 1S le on ei i t d l t 2 . h n, t . od rJ it l bl yMo e h a R a i wiM o i e r e u’ q a i n r h c o S D a e d f d Da v a x sE u t sf em r M i o o t i W fr

P c a e ( P)[ . MAP 0 6 ak g MC A】E 2 0,Ho g o g 0 6 n K n,2 0 .『l]Y . a, . . c y L e T e ma ssa c a y 1 S Ch n S w Rik e . h r l Re i n eAn l— t

L v lChpS aeP c a eFa l[ . eto i mp— e e— i c l a k g mi A]Elcr ncCo o yne t ndTe hn o n e e e 20 . n sa c olgy Co f r nc . 03

ss f io AM ut Sa kFi l—tc l i pChp3DP c a eA]EMAP 0 6 i - akg[ . 20,H 0N G K0 NG .

r 6]Da v a x R. n oiK.Co s i t e r lto s f rt— 2 r e u Ba e n t u i e a i n i t v o n

bsdsle i s]IE rnat n nC ae dron[ .E ETa sc o s HMT 19, o j tJ i o,921 ) 3 10 4. 5 f:101— 2 6

r1 2]Xio a g e 1Th r— c a ia nt lme t a wuZh n, ta. emo me h nc l i ee n i f ea l ss i uli hi l u tae ba e p c ge na y i n am tc p buid up s bsr t s d a ka

[ 7]陈松.5 2 2 6引脚塑

料球阵列封装的焊点热疲劳分析[ . A】20 0 6年 ANS YS用户论文集，2 0 . 06

d s n J. c o lcr nc eib l y 2 0 ( 4): e i[] Mir ee t is l i t . 0 4 4 g o R a i6l一 9. l61

[ 8]A YS Ic ANS 2 NS .n . YS高级技术使用指南[】 c.北京：美国ANS YS公司办事处. 00 20.[ 9]A Y hoyR frne e ael.. a osug A: 2 NS ST e r eeec l s 1 C n nb r R e 0 PAN SYS n,2 06. Ic 0 r3 NSY S I c. NSY S So u i n M a a i e.2 3 W i t r 0 1A n A l to g zn 00 n e . Ca on bu g:S S I I c 2 05 n s r A P n . 0 .

[ 3]C e , hoY C, t 1Deino n v l hpo 1 h nC Y C a e . s f o e c i n a g a gasp c a es lt nfrCMOS i g e s r e ieJ. ls a k g oui o o ma e s n o vc[] dM ir lc r nisReibiiy, 00 49 2 13 . c oee to c la l t 2 6,,13 6— 34

[ 4]A Y c电子行业解决方案[】ANS SIc, 0 5 1 NS SI . n c. Y n.2 0 . [ 5]葛增杰，等.电子封装件受热载荷作用有限元数值模 1拟分析[】大连理工大学学报 . 0 5 (:3 03 5 J. 2 0 5) 2— 2 . [ 6]L o , t 1A s lt nb sdmut ojcied— 1 e nXu e . i ai—ae l—bet e a mu o i vsg ptmi a i lc r ni c ge nd rt e a y— i n o i z tonofee to cpa ka su e h r lc m

『 3 1]ANS n . YSIc ANS ouinMa a ie 2 0 u YSS lt g zn . 0 6S mme. o rCa on bu g: n s r SA S I n . 0 P I c20 6.

[ 2]Hs n— h nH u e 1Fnt Ee n a s f— 3 i gC e s,t . ii l a a e me t l i o An y s Dyn m i r p I pa tofBoa d- v

a k d ePa ka s a cD o m c r Le el St c e - c ge Di

ci ga db n ig J. co lcr nc l b ly 2 0 l n e d n[] Miree to isRei i t. 0 4 n a i( 4 ) 7— 8 . 4 .197 19 3r1] AN SY S I c. NSYS uton M a z ne 7 n A Sol i ga i .20 i t r 05 W n e . Ca o b g n ns ur:SAS P nc2 05. I I .0

Usn u mo eigT c nq eA] EMAP 0 6 HONG ig S b d ln e h i u[ . 20,K0 N G .

[ 3]周春燕，余同希，等. 3便携式电子产品的跌落冲击

[ ANS SIcANS SS lt nMaaie 2 0 u 1 8] Y . n Y oui gzn . 0 5S mme. o rCa ns ur:SAS I I c.0 no b g P n 2 05.

响应——试验，仿真和理论，力学进展[ .0 6: M】 0,5 22 9— 46. 3 2

[ 9]曹玉生，于海平，等 .D 1 3 MCM热分析技术的研究[】电子设计，2 0: 1—9 . J. 0 6 911 4

[ 4]Z uL Wat Drpi at ei it nls f 3 h l M. o mp c l blya ay i o r a i sC S p c gi g a a d a d p od t y tm e e st r gh P a ka n tbo r uc se lv l h ou r n s

[ 0]周德俭，吴兆华，等. CM热分析和热设计技术 2 M[】电子工艺技术， 1 9, 1 l1 . J, 97:l一 5

mo eiga po c e[ I d l p ra h s￣.EEETrn a t n nC mp n ns n a sci s o o e t o oa dP c a igT c n lge, 0 5 2 (:4— 5 . n a k gn e h oo is 2 0, 8 3) 94 6 4

[1 2]邱宝军，等，多芯片组件热阻技术研究…,电子元件与材料，2 0 (1 ) 6 5, 05 1:5— 82]Ca lo Ha n,S y i n i h e i e,Pr m a 2 rt n E. n a t la osM c a ld s ePa a a pan l ni p .N um e i ala rc nd Exp rm e t lSt dy

o he e i n a u ft Ev uton ofSte s s i i ol i r s e n Flp Chi s e blesD urng pA s m i i

[ 5] 3 ANS n, S SS lt nMa aie 2 0 pig YSIc AN Y oui g zn, 0 4S r, o nCa on b r:S S I I c.0 n s u g A P n 2 04,

[ 6]R nw, n JS el ae mpie et n c ak 3 e Wa g, h lb sds l d lc o c— J— i f e r ip ia e mo e e e o me t n sa p l ai n f r e ib l y g d l v l p n d i p l c to l i t d a t i o r a i

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(1 ) 1—, : 0 1 2 2

[ 7]T eT Y NgH, ta. o eta d i a tl e 3 e ' S e 1 Dr pts n mp c i fpe it nmo e f r N p c a e[ . o r a o MT rd c o d l i QF a k g s o A] J un f l S,2 0,1 ( ) 1 3, 0 3 6 3:3— 9

[ 3]YW.h n T H.u S A. rb e a. e ait d 2 . C a,, J, . Hae, t 1R l blyMo— i ie ig f r l Gr r yAse l t La g mb r f l l i Ar a s mb ywi A r eNu e n o Ba d h o

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9 7 9 2) 7 1 4 o 5 5『24]R . ave ux. f c fSi u ai e h ol gy on Sol D r a Efe to m l ton M t od o —

作者简介：

李兵 ( 9 6,男，西安交通大学机械工程学院讲 1 7一)师，研究方向为电子产品可靠性分析及测试技术。一

d r on akGrwt orlt nA]P o e dn s f 0h e it c o hC rea o[ . rc e ig t, J Cr i o5

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4ri1.html