abaqus封裝仿真
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-02-27
abaqus封裝仿真的視頻教程
Ansys 2.5D/3D IC封裝仿真分析案例介紹
通過包含鍵合、倒裝、堆疊、Interposer和RDL再布線層等技術的組合，實現很高的功能密度，具有明顯的系統優勢，由于2.5D/3D IC設計的復雜性，需要用三維電磁場工具精確抽取片上和封裝的三維電磁寄生效應，本次網絡研討會基于HFSS最新推出的2.5D/3D封裝仿真流程，幫助設計者完成GDS導入，interposer模型處理及3D全波仿真等過程，充分了解和體驗HFSS針對2.5D/3D IC設計的全新解決方案
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PCB/封裝建模：增強單元進一步提高電子產品結構可靠性仿真精度
在電子行業尤其PCB及封裝結構產品可靠性有豐富設計仿真經驗，負責Ansys中國CPS結構可靠性方案以及Ansys Sherlock國內技術支持；長期支持國內大型半導體、封裝、通訊企業的仿真設計工作。
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abaqus封裝仿真的實例教程
翻譯：上海安世亞太
前言
多年來，設計人員一直在仿真中考慮封裝寄生效應package parasitics 的影響，從使用簡單的一階模型（如理想電感+電阻）到更復雜的spice梯形網絡，最后到使用三維電磁仿真器充分提取封裝的s參數。對于封裝加PCB通道，目前最常用的方法是將封裝和電路板作為s參數或寬帶SPICE模型獨立地提取出來，并在電路仿真器中結合這兩種模型。但由于工作頻率高、信號速度快、集成器件復雜等因素，這種方法的局限性越來越大。
封裝與PCB（或封裝與電路）之間的耦合對性能有著不可忽視的影響。實現復雜封裝和PCB，或封裝和電路的仿真有幾個挑戰:電磁求解器的容量和精度，自動化，易用性，可接受的仿真時間。
PCB和封裝設計人員深知在更高層次的系統仿真中，提取其精確的設計模型是多么重要。采用三維全波電磁仿真和自動自適應網格劃分方案，可提供提取全波s參數模型所需的精度水平。然而，設計人員在嘗試使用三維電磁仿真來解決復雜的設計時面臨著一些挑戰，如圖1所示。電路板和封裝器件通常采用電子設計自動化（EDA）工具進行設計，需要引入到三維電磁仿真工具中。這些設計包括多個介質層、電源和接地層、信號層、大量過孔（與焊盤定義相關）和鍵合線。
第一個挑戰是從EDA工具中導入數據庫，但不包括應用于設計的手動修改，但要保留跟蹤、焊盤、焊線、網絡和引腳的數據庫信息。導入幾何體后，其他仿真模擬設置（例如，端口定義）需要易于使用，避免耗時的工程工作，并為非專業用戶提供可訪問性。最后，三維電磁仿真工具需要強大的網格、求解器和高性能計算功能，以將仿真時間縮短到可接受的水平，同時提供準確度。本文詳細介紹了一種用ANSYS?HFSS?3D Layout進行整合了封裝和PCB電路板的三維電磁仿真的新流程。
圖1.
展開 并基于上述真實的DSP器件模型，利用有限元軟件Abaqus建立了球柵陣列BGA結構封裝體的基本模型， 分析DSP器件在不同條件下的受力情況，按照不同安裝變形、不同力學條件、不同溫度變化、綜合工況、高低溫交變循環五種工況，分別建立相應的有限元模型，分析在每種載荷作用下得到的仿真結果，并計算DSP器件在高低溫交變循環下應力疲勞情況并為工程實際中提供幫助與建議[21]。
1.3.2 產品介紹
1.3.2.1 DSP器件信息
型號：SMV320C6701GLP14W；廠家：TI；封裝等級：BGA429；質量等級：V級。共429個焊點。如下圖所示。
圖1-1 DSP器件尺寸示意圖
1.3.2.2 PCB布局與安裝
DSP安裝于由四塊電路板通過柔性帶連接組成的一體PCB板上；PCB板材料為FR-4，10層板；具體位于其中一塊控制板上，如下圖所示。
圖1-2 DSP器件布局示意圖
一體剛柔電路板通過四周圍合方式安裝在鋁合金電路支架上，采用M3螺釘固定，預緊力矩為0.4Nm，DSP器件朝向電路支架內側，如下圖所示。
(a)實物圖 (b)支架圖
圖1-3 DSP器件示意圖
1.3.2.3 DSP器件焊裝情況
焊接材料：DSP為CBGA（陶瓷）封裝，芯片重量約7g，焊球材料為SAC305（Sn含量96.5%，Ag含量3%，Cu含量0.5%），球徑0.6mm～0.9mm，印制板焊盤直徑0.7mm，焊盤表面處理工藝為HASL（鍍錫熱風整平），DSP采用無鉛制程再流焊溫度曲線完成焊接。
固封情況：使用DG-4雙組份環氧樹脂由芯片四角進行粘固，膠液由印制板面向上堆積至器件頂面，膠液寬度由四角向兩邊延伸2mm左右，點膠后室溫下自然固化24h。
展開 本文來給大家講一講封裝級熱仿真的方法以及需要注意的問題。芯片封裝熱仿真之所以重要，主要有以下兩個原因。
首先，在一個大外形、大功率芯片（例如片上系統 SoC）設計中，如果不考慮散熱問題，則很可能在以后會出現問題，導致其無論從成本、尺寸、重量還是性能方面來看，均不能稱為理想的封裝解決方案。
其次，雖然在以往的IC設計中都已考慮到芯片溫度要均勻，但是在許多情況下，這已不再是一個有效的假設了。電流泄漏導致的發熱使功率耗散不均勻，加上使用更薄的芯片（現在已小于 50μm），更是降低了芯片自身的熱擴散能力。這兩種原因使得芯片上溫度變化更大。
設計三維疊層集成電路等多晶粒芯片時，芯片封裝熱仿真設計就顯得必不可少。熱傳遞是高度的三維現象，封裝溫度的分布會影響芯片上的溫度分布。
本文以SOP封裝為例，介紹使用Flotherm對芯片封裝進行熱仿真分析及優化的流程。仿真目標是確定保證芯片結溫低于150℃且熱量能夠正常耗散的最大功耗值。SOP封裝的尺寸如下圖所示。
SOP封裝在PCB板上的安裝形式及測溫點的位置如下圖所示。分別對沒有散熱器和有散熱器兩種情況進行仿真，在有散熱器的情況下在PCB板和散熱器基板之間有導熱膠進行連接。
仿真使用的PCB板為59x61mm的6層板，假設每層的覆銅率在每層內分布是均勻的。基于該假設，根據每層的覆銅率計算該層的熱傳導系數，如下表。
首先，對沒有安裝散熱器的情況進行仿真，封裝安裝在板的主面，copper slug焊接在板子上，環境溫度為85℃。下圖為仿真結果。仿真熱耗為2w，die attach的熱導率為1.6W/mK。如果把die attach換成導熱性能更好的材料（熱導率為50W/Mk），結殼熱阻值會有明顯的降低，由6.61℃/W降低到1.12℃/W。
展開 BGA封裝，即Ball Grid Array Package—球柵陣列封裝，是高密度、多功能芯片常用的引腳封裝，如下圖所示，該封裝性能優勢大家可以去百度了解，本文主要講解如何對BGA封裝利用HFSS進行仿真。
1、當要對一個項目進行仿真時，需要先了解仿真項目有哪些參數尺寸、材料屬性該如何設置、以及如何簡化仿真模型等，不必一拿到仿真需求就去匆匆畫圖。如果能將仿真模型先在草稿上畫上關鍵部分，成熟胸中，必能事半功倍，不然老要回頭去修正模型，大大浪費時間。不啰嗦了，先來看看BGA封裝的具體尺寸，如下圖：可以從芯片的datasheet中找到具體的封裝pad尺寸和BGA焊球的高度，其中這個高度和關鍵。
2、仿真準備工作，由于要通過TDR值來優化BGA過孔反焊盤的尺寸，需要將HFSS中的solution type設置為Terminal，即終端模式求解，另外掃頻方式只能選擇Interpolating（插值法掃描）。還有在HFSS》design setting中注意勾選Enable material override和automatically use causal material。（勾選這兩項一是為了簡化建模，讓金屬自動覆蓋介質材料，因此不必額外再做減法substract；另一項是為了使得仿真求解滿滿足因果性，不然仿真結果容易出錯）
3、建立模型，具體過程就不詳述了，按BGA封裝尺寸建立即可，如下圖：在BGA焊球上方加一塊pec以保證GND相連，wave port 2是一個100ohm的同軸差分線，可以通過Q2D來確定其尺寸和介質的介電常數。
展開 圖元仿真工程中心一直致力于為客戶提供電子產品設計相關的仿真分析服務，我們正在與很多IC封裝客戶和系統客戶合作，幫助他們解決實際項目問題并完善設計流程。通過每個仿真項目的實施，工程中心技術團隊對客戶的需求以及行業的發展有了更加深刻的認識，自身的業務能力也得到了長足的進步，形成了完整的仿真服務體系。
下面我們通過一篇介紹性的技術白皮書來展示圖元的仿真能力與服務內容，本白皮書為PDF版本，全長27頁，將重點介紹工程中心的業務范圍與框架：
一. 仿真工程中心
二. 仿真價值與作用
三. 仿真服務內容
1) SI仿真
2) PI仿真
3) Thermal仿真
4) EMC仿真
5) 2.5D/3D先進封裝仿真
四. 主要仿真平臺
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?? 你的核心職責
項目承接：承接平臺分發的各類ABAQUS仿真需求，涵蓋結構靜力學/動力學、非線性分析（接觸/材料非線性）、熱-力耦合、顯式動力學（Explicit） 等方向。
技術支持：根據客戶提供的模型或圖紙，獨立完成幾何清理、網格劃分、求解設置、結果后處理及仿真報告撰寫。
專業背景：
本科及以上學歷（優秀的在讀本碩博士亦可），力學、機械工程、車輛工程、材料科學與工程等相關專業
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本人研究方向為海洋航行器跨域多物理場耦合，指導過多位相關專業碩士博士研究生，科研項目經驗豐富。
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