abaqus封裝仿真的案例
仿真案例｜三維電磁仿真的整合封裝和PCB電路板仿真
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 BGA封裝焊點動靜力學與溫度場耦合仿真分析 ￥9.9
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 芯片封裝熱仿真詳解
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 下午直播 | IGBT仿真及封裝設計
針對國內外變流器企業IGBT應用及封裝設計的技術需求，Ansys解決方案以Workbench為電磁、熱、結構、流體多物理場耦合設計平臺，以Simplorer為器件特征化建模、開關特性測試、變流電路設計及傳導干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理場耦合技術和魯棒性設計，器件與系統的降價模型和協同仿真接口，高效解決IGBT封裝設計所面臨的、多物理場耦合設計和高精度器件與電路、系統設計問題。
電子封裝中的回流焊仿真分析
作者：黃晶
廣州安世亞太公司
目前，表面組裝技術（SMT）中，采用的釬焊技術主要是回流焊，因此，對回流焊溫度場的仿真研究極其重要。封裝結構中不同材料之間存在熱膨脹系數差異，電子封裝在回流焊溫變過程中會產生翹曲變形。結構的翹曲會影響封裝結構的共面度，引發芯片斷裂、界面分層和焊點裝聯缺陷等質量和可靠性問題。因而，掌握回流焊仿真分析技術，對提高產品封裝質量、優化電子封裝中回流焊的溫度設置具有相當重要的意義。
回流焊仿真技術路線
回流焊是一個熱加載過程，在進行回流焊仿真分析時，目前主要有以下幾種仿真技術路線：
基于CFD軟件的瞬態溫度場分析
采用此種方式，可以精確的考慮回流爐內的結構，考慮熱風及熱空氣在回流爐內的流動狀況，計算出來的溫度場比較準確。但是由于需要對流場域精確建模，并且還要計算長時間的瞬態和考慮結構的運動過程，計算量通常比較大。
展開 如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
芯片在出廠前首先要對其進行封裝，封裝是為了實現半導體芯片與外界交換信號并保護其免受各種外部因素影響。為了確保芯片能夠穩定工作并延長使用壽命，工程師需要在芯片封裝前進行熱仿真分析。芯片熱仿真分析能夠在樣品和產品開始生產之前發現熱問題，指導設計優化，以保證芯片工作時的溫度不超過其最大結點溫度，從而減少打樣試錯次數，節約時間和成本，縮短研發周期，提高產品質量。
現階段，各類電子設備普遍采用強制空氣對流的方式來冷卻發熱器件，即通過在芯片上加裝散熱器將芯片散發的熱量傳遞到散熱片上，并加裝風機等設備增強空氣循環，將散熱器上的熱量帶走。
對于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結到環境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。其中Rja與器件所處的環境有關，且器件規格書中的規定值一般為生產商基于標準環境測試，而往往實際應用環境和標準測試環境差別較大，Rja很難應用于芯片結溫預計，更多的應用于定性對比不同封裝芯片的散熱能力。因此，在實際應用時，更多的采用結殼熱阻Rjc和結板熱阻Rjb評價器件的散熱能力，由此便產生了雙熱阻模型。
在建立雙熱阻模型時一般做如下假設：
①結點熱量僅存在兩條散熱途徑：通過上表面傳遞到空氣中或散熱器上，通過下表面傳遞到PCB板上；
②上下表面為等溫面，不發生熱量傳遞；
③結點熱量不通過側面傳遞。
下面就來介紹一下如何使用云道智造“電子散熱模塊”進行“基于雙熱阻模型的芯片封裝中簡單強制對流換熱”仿真分析。
展開 如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
其中Rja與器件所處的環境有關，且器件規格書中的規定值一般為生產商基于標準環境測試，而往往實際應用環境和標準測試環境差別較大，Rja很難應用于芯片結溫預計，更多的應用于定性對比不同封裝芯片的散熱能力。因此，在實際應用時，更多的采用結殼熱阻Rjc和結板熱阻Rjb評價器件的散熱能力，由此便產生了雙熱阻模型。
在建立雙熱阻模型時一般做如下假設：
①結點熱量僅存在兩條散熱途徑：通過上表面傳遞到空氣中或散熱器上，通過下表面傳遞到PCB板上；
②上下表面為等溫面，不發生熱量傳遞；
③結點熱量不通過側面傳遞。
下面就來介紹一下如何使用云道智造“電子散熱模塊”進行“基于雙熱阻模型的芯片封裝中簡單強制對流換熱”仿真分析。
“芯片雙熱阻封裝的簡單強制對流換熱問題”仿真分析
1.模擬條件
本算例中建立了包括 1 個機箱、1 個 PCB 板、1 個雙熱阻封裝、1 個軸流風扇、1 個散熱器的簡單強迫對流換熱模型，目的在于雙熱阻封裝模塊的應用，便于熟悉雙熱阻封裝模塊的設置。穩態計算，不考慮輻射。軸流風扇固定流量為 2CFM，垂直出風。
考慮流熱耦合問題；
雙熱阻封裝模塊中，中心節點功耗為 3W；
環境溫度為 30°C。
2.幾何模型
利用軟件自帶的智能模塊，快速建立所需幾何模型。
雙熱阻封裝算例幾何模型
雙熱阻封裝算例模型樹
3.仿真分析
3.1 網格剖分
本次采用默認Region-based網格劃分方式；
調整全局網格和局部網格設置；
全局網格設置
該案例中主要對重要器件進行局部網格設置，平面方向主要控制最大尺寸，厚度方向則是設置最小網格數，如芯片、板卡等。
展開 使用ANSYS HFSS仿真芯片的BGA封裝
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 基于PERA SIM 的電子封裝翹曲仿真分析
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。
展開 AnsysWB-硅芯片表面貼裝封裝的傳熱仿真 ￥15
如果在設計電路
板時將這樣的裝置置于靠近包含敏感硅芯片的表面貼裝封裝的位置，則調壓器的熱量
可能導致可靠性問題，進而因過熱發生故障。
白皮書下載丨高速芯片與先進封裝仿真解決方案
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
掃描二維碼下載白皮書
展開 
fcBGA-H封裝瞬態熱特性 仿真&測試（一）
簡介
Flip-chip（倒裝芯片）封裝廣泛應用于桌面計算機、服務器和各種通訊設備。隨著功能要求的提高，功率和熱流密度越來越大。因此，對于高功率倒裝芯片，客戶在不斷的推進TIM（熱界面材料）的低熱阻化。
TIMs（Thermal Interface Materials）是用于提高固體接觸面之間傳熱性能的導熱材料。比如CPUs和散熱器之間，若出現微小間隙，由于空氣導熱性能極差，整個散熱效率就會嚴重降低。因此，TIM的熱特性對于散熱方案的可靠性是至關重要的，尤其是發熱部位的最高溫度（結溫Tj），散熱片上表面溫度（殼溫Tc），和上述兩點之間的熱阻。測殼溫Tc的傳統方法是，在散熱片中心放置一個熱電偶。該方法的一個最大問題是只能用散熱片中心位置的溫度來表征殼溫。但是在實際應用中，最高溫度的位置我們通常不確定，尤其是當給結區加載非均勻熱載荷（non-uniform power）的時候。
本文主要討論的是：
a. 描述如何使用不借助熱電偶的瞬態測試設備測試fcBGA封裝器件（由STATS ChipPAC制造）的TIM熱特性，尤其是結殼熱阻Rjc；
b. 描述如何測試在風扇不同轉速下（模擬真實工況）封裝器件的Rja（結到環境的熱阻）；
c. 闡明功率脈普對結構函數的影響；
d. 描述如何通過仿真生成一個仿真結構函數，再用測試結構函數來修正仿真結構函數，最后用修正后的結構函數生成熱阻網絡模型，應用于系統級產品中；
e. 明確并改進更好的仿真和測試方法。
2.
展開 電磁仿真在PCB、封裝、芯片上的應用
而電磁仿真軟件的運用，能夠幫助工程師對PCB的布局進行設計、分析和優化。
首先，在高度集成的封裝芯片中，很多時候寄生參數的影響是我們非常不希望出現的，它會降低電路的速度、改變頻率響應或者帶來一些意想不到的影響。而電磁仿真軟件能很好的解決這個問題，能抽取結構內部寄生參數，進行多種電路、多端口等效，根據不同需求生成不同的等效電路：
IC 模型
下圖是對 IC 芯片模型中二端口等效模型及寄生參數抽取情況：
等效電路圖
當然，S參數作為高頻信號傳輸質量的基本指標，也是電磁仿真必不可少的參數。通過電磁仿真軟件能對各種精細結構進行仿真，得到相應的S參數，并輸出SPICE模型，下圖就是仿真和實測的對比（如下圖所示）：
而眼圖、等高曲線、盆浴曲線是評估信號傳輸好壞的標準，通過電磁仿真能輕易得到相應的各種參數（如下圖所示）：
眼圖
而電源完整性問題，也會導致各種SI、EMIEMC問題，所以對電源完整性分析也必不可少。電源完整性分析主要包括直流壓降分析，交流去耦分析，平面噪聲分析和模型提取等（如下圖所示）。
噪聲分析
DC IRdrop
局部電流分布
對于芯片\封裝的EMIEMC問題，大多數時候我們都可以按照一定的規則去排版、布局，改善EMI/EMC問題。但通過人為去檢查優化高密集度的芯片\封裝線路，顯得很不合理。這時候我們必須得借助軟件，分析封裝芯片的線路布局、走線交叉、參考平面變化、屏蔽層和過孔檢查，快速定位電路板上潛在問題，避免引起EMI/EMC、SI 或PI 等錯誤。
規則檢查
隨著微電子技術的飛速發展，芯片的尺寸越來越小，同時運算速度越來越快，發熱量也就越來越大，這就對芯片的散熱提出更高的要求。
展開 先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
Yorgos首先表示： “RLCK提取和仿真的應用空間正在迅速擴大。2.5D和3D IC的設計人員對以芯片為中心的流程非常熟悉。他們需要的建模解決方案既要求具備易用性，同時又要滿足高信號數據速率所需的精度以及這類封裝解決方案的供電問題。”
我問道：“您如何在易用性和準確性之間取得平衡？”
Yorgos答復道： “Ansys HFSS是電磁分析的黃金標準，其應用范圍從無線傳播一直延伸到PCB級信號與電源完整性仿真。上一代產品RaptorX則重點關注片上結構的寄生計算，例如螺旋電感、電源網格、芯片上MIM去耦電容器。我們已將HFSS和RaptorX整合到RaptorH中，兩種引擎集成在一起。這樣設計人員能便捷地發揮這兩種算法的優勢，該工具將最佳方法應用到模型的每個單元。”
Anand補充道： “RaptorH產品研發中有幾個不可或缺的考量因素。以芯片為中心的設計環境是這些2.5D和3D封裝的基礎，GDS-II或OASIS數據可表達設計。技術文件堆疊定義使用了代工廠提供的工藝說明，所有層和維度信息都是加密的，工藝角定義使用了與傳統芯片環境相同的定義。”
我問道：“Yorgos重點強調易用性，那么易用性對產品研發有什么影響呢？”
Anand答復說： “RaptorH桌面對當前RaptorX和HFSS用戶而言并不陌生，3D設計幾何結構和電磁場可視化解決方案使用了現有的Ansys桌面界面。”
Anand繼續說道： “S參數和電路網表模型都已提供。特別值得注意的是，該分析是在LVS之前開展的，而設計仍在進行中。”
我問道：“對于一般電磁分析，HFSS通常需要掌握大量的控制專業知識。例如，模型端口的定義和布局。
展開 先進芯片、Interposer和封裝設計的電磁與電路RLCK提取和仿真
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關于Ansys CPS 解決方案
Ansys CPS（Chip+Package+System）多物理場仿真方案，包含了Redhawk/HFSS等業界黃金工具，基于CPM/CSM/CTM等獨有的芯片模型，通過協同仿真考察芯片與PKG/PCB之間的耦合影響，通過電、熱、結構之間的多物理場耦合仿真使得仿真精度更高，幫助設計者優化從芯片至系統的SIPI/熱/結構可靠性等設計指標，此流程已經支持多家客戶在先進工藝節點和大規模的2.5D/3D IC設計上成功流片。
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