摘要：本文基于國產自主仿真軟件PERA SIM Mechanical建立了某疊層封裝翹曲的仿真過程，從導入幾何模型開始，到劃分網格、賦予材料參數、施加邊界條件和加載載荷，以及設置分析參數、進行分析得到仿真分析結果，實現了芯片翹曲全過程三維仿真。分析得到翹曲位移結果和應力結果，對預測和分析電子封裝潛在可靠性問題，優化芯片的結構和布局并提高芯片的整體性能提供依據。

關鍵詞：芯片翹曲；電子封裝；仿真

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1.引言

電子產品中需要使用大量封裝器件,封裝中使用了各種不同的材料，如芯片、基板、塑封等，這些材料具有不同的熱膨脹系數（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）。當整個封裝經歷溫度變化時，例如從封裝過程時的高溫降到室溫，由于各種材料的熱膨脹系數不同，伸縮不一致，進而導致封裝產生翹曲。隨著電子產品集成度及電性能要求的進一步提高，封裝技術向超薄化發展，當封裝變薄后，剛性顯著降低，更容易變形，使得翹曲顯著加大。

封裝翹曲問題可能會導致電子產品性能下降、信號完整性問題或產生不良的互連。一方面，通過在設計階段進行仿真，工程師只需要在計算機對不同封裝模型進行建模模擬，不僅可以節省實驗原料成本，還可以快速識別關鍵問題所在；另一方面，工程師可以結合DOE分析，通過考慮多組參數對翹曲的實際影響，優化芯片的結構和布局，獲取最佳設計。

2.問題描述

本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析軟件對某一疊層封裝（12mm*12mm*0.55mm）模型進行高溫到室溫的翹曲仿真分析，該模型主要由EMC、芯片（8mm*8mm*0.1mm）和基板組成，模型從上至下分別是CU層\FR4\CU層\CORE\CU層\FR4\CU層\DIE\EMC，仿真中取四分之一模型，加載對稱邊界條件。

圖1 疊層封裝的四分之一幾何模型

3.有限元模型的建立

3.1 模型網格劃分

直接導入分析的幾何模型，考慮到封裝結構比較規則，且行業內多考慮共節點網格，為方便后期共節點處理，考慮通過拖拉殼單元/實體面網格的方法自下而上劃分網格，即先劃分emc，在emc表面生成殼網格后拖拉成實體單元，生成實體單元面。再往上通過拖拉實體單元面的方法劃分其他組件網格，每層組件厚度上劃分2-3層單元。最后，通過檢查重疊節點的方法，合并相關節點。網格基礎大小為0.2mm，統計劃分單元數目18963，節點數目21208，具體操作可詳見視頻。

圖2 網格實體單元面拉伸方法

圖3 封裝模型的網格

3.2 材料定義

下表列出了模型中相關組件的材料屬性設置：

EMC溫度相關的材料楊氏模量和熱膨脹系數見下表，單位MPA：

Die溫度相關的材料楊氏模量和熱膨脹系數如下表：

PERA SIM軟件可以通過表格定義的方法，定義溫度相關的材料屬性，同時對材料的熱屬性和結構材料屬性進行組合。定義好相關材料屬性后，將材料屬性分配到各零部件。

3.3 邊界條件和載荷設定

邊界：仿真使用四分之一模型，因此在對稱面上加載對稱邊界，并固定對稱交界邊界最低點。

載荷：加載溫度載荷25°，模型參考溫度141°。

3.4 求解設置

建立非線性靜力分析工況，并設置載荷子步，本次分析中，采用自動時間步長，初始子步數設為10，最小子步數為5，最大子步數為50，存儲每個載荷子步結果。設置完成后，直接提交作業進行計算即可。

圖4 求解設置

4.計算結果分析

計算完成后，通過在相應的作業上右鍵點擊加載結果，即可進入到后處理模塊。計算得到的總變形和總體等效應力結果如下：獲取翹曲總位移結果為93微米，小于但接近100微米允許范圍，最大等效應力發生在芯片和銅層交接位置，芯片上最大等效應力為189.981MPA。

圖5 總位移結果

圖6 等效應力結果

5.結論

本文通過國產自主研發的PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件，對封裝翹曲行為進行了有限元分析。有限元分析得到的封裝翹曲位移和應力結果可以幫助工程師在產品開發階段預測翹曲可能帶來的產品缺陷。在此基礎上，工程師可以進一步通過多工況分析，例如修改封裝結構、更改工藝條件或者選擇更合適的封裝材料來減少生產過程中由于翹曲導致的缺陷，提高生產良率。

PERA SIM Mechanical在計算封裝翹曲的過程中可以一站式完成模型的幾何處理、材料定義、網格劃分、接觸設置（本例中如考慮接觸亦可實現）、分析求解和結果后處理，操作流程清晰完善，求解器功能可以滿足電子行業中諸如此類分析需求。

作者：安世亞太工程師 李桂花