翹曲仿真的案例
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 設計仿真 | 聯合仿真助力美國西部數據公司完成印制電路板翹曲預測
圖3 PCB堆疊層(左)和對應的代表體積單元(右)
最后，在?？怂箍倒I軟件Marc非線性有限元求解器中模擬制造流程中的冷卻過程，以預測PCB翹曲。為了建立適當的分析模型，使用Digimat提供的PCB材料特性，在Marc中指定熱載荷和邊界條件。結果如圖4所示。圖4顯示了由于溫度變化而導致的PCB變形，通過模擬有助于建議適當的冷卻速度，以將翹曲保持在可接受的水平。此外，還可以同時調整材料和制造工藝參數，以達到所需的翹曲質量目標。
圖4 熱冷卻引起的PCB變形
總 結
本工程模擬研究揭示了如何在制造前預測和研究PCB翹曲。西部數據公司開發的方法使用Digimat-MF有效評估不同環氧樹脂和玻璃纖維成分的預浸料性能?？梢栽贒igimat FE中使用這些預測的性能來評估在Marc中執行翹曲分析所需的PCB材料特性。這里描述的開發方法可以使西部數據公司的工程師進行PCB在不同溫度載荷下的翹曲行為研究，同時能顯著減少實驗測試時間和相關成本。
展開 3D輪廓掃描儀：零部件仿真數模比對、翹曲分析的“慧眼”
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ANSYS網絡培訓 — PCB和封裝的翹曲、熱快速仿真方法
ANSYS專門針對PCB設計分析解決方案，結合最佳仿真前處理工具SpaceClaim，在Mechanical使用TraceImport功能，可以快速從ECAD中直接導入PCB熱物參數，從而能在Mechanical中快速進行準確的PCB板熱分析、熱應力分析、翹曲分析。
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HyperMesh 與MoldFlow 聯合仿真在解決轎車儀表板翹曲收縮上的應用
MoldFlow 在建立復雜產品的中面模型的建模能力有限，比較耗時耗力，因
此采用了HyperMesh 與MoldFlow 聯合仿真技術，利用HyperMesh 強大的幾何處理和網
格生成技術，快速產生網格指標優良的模型。在MoldFlow 中對冷卻方案進行優化，基本
解決了儀表板的翹曲和收縮問題，避免了重新開模帶來的成本和時間上的損失。
關鍵詞: 儀表板 中面模型 翹曲 收縮 工藝模擬 工藝優化
HyperMesh與MoldFlow聯合仿真在解決轎車儀表板翹曲收縮上的應用--謝曉龍.pdf
一款專用仿真APP軟件:芯片封裝翹曲云計算應用系統
芯片封裝翹曲云計算應用系統是一款專用的仿真APP系統，該系統規范了仿真應用流程、降低了應用難度，對仿真任務及數據進行了有效管理，可以大大提升仿真應用效率，實現仿真計算的輕客戶端。
芯片封裝結構仿真云計算系是面向設計人員基于Web應用的快速計算系統。該系統構建了常用的模型庫和專用材料數據庫，集成了芯片封裝結構仿真計算中的快速建模、自動網格劃分、邊界條件施加、求解控制以及結果自動提取與報告輸出的完整過程，并將所有的應用架設于網絡環境，支持多人同時在線應用，對每個仿真應用及其所產生的數據進行集中管理。
芯片封裝翹曲云計算邏輯圖
特色功能
系統基于B/S架構，具有芯片封裝模型的快速定義、幾何模型預覽、計算條件設置、計算任務提交與審核、任務后臺批處理計算、計算狀態監控、詳細報告生成、郵件自動提醒、材料庫管理、模型庫管理等功能。
支持兩大類用戶角色
系統提供了面向設計人員和仿真管理人員兩大類用戶角色。設計人員基于系統提供的向導，完成相關建模參數輸入，材料定義，提交計算。仿真管理人員完成校核計算結果和報告。
展開 仿真咨詢與專業定制開發丨如何在電子行業大潮中快人一步？
工作過程模擬與最大推力計算
參數優化分析
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專業系統-芯片熱翹曲仿真云平臺
該項目是為某電子芯片企業開發的一套用于芯片熱翹曲仿真分析的專業系統，該系統采用B/S架構，完全封裝了不同類型芯片的從參數化建模、材料定義、網格劃分、載荷邊界設置、求解計算及結果后處理整個仿真分析過程，芯片設計師可以在瀏覽器上即可完成快速仿真和計算報告查看，將仿真工程師從重復的仿真工作中解放出來，仿真云平臺的搭建徹底解決了設計與分析驗證脫節的問題，使廣大設計師能夠快速對自己的設計方案進行驗證和評估，并進行持續的優化改進。該系統功能特點如下：
基于Web的應用模式，無需在客戶端安裝計算軟件，釋放客戶端的硬件資源；
向導化的應用過程，將復雜的仿真應用過程和經驗封裝在后臺，降低使用難度；
具有面向設計人員和仿真人員的不同應用終端，使得設計人員參與到仿真中來，仿真人員做仿真相關的審核和更高端的事務；
對所有仿真任務和仿真過程數據進行有效記錄和管理，避免了數據分散和無法有效管理的問題；
構建了網絡化的統一材料數據庫和基礎數據庫，提供高效的檢索、分析功能，保證了數據的有效利用；
通過訪問及數據權限控制，保證不同的設計和仿真人員只能訪問相關的數據，保障數據的安全性。
展開 利用反向翹曲優化模具設計
本項目中汽車零件─塑料鉤在第一次試模時出現翹曲；即使調整了制程參數，翹曲問題仍然存在。斯洛伐克科技大學材料科學與技術學院(MTF STU)使用Moldex3D研究翹曲的起因，并尋找可行的解決方案。最后根據Moldex3D的翹曲分析結果，優化模具設計，成功解決翹曲問題，避免不必要的重工。
MTF STU團隊根據Moldex3D翹曲分析，輔助功能制造者尋找最適的解決方案，以修改模座設計。有了Moldex3D的翹曲預測功能，工具制造者在實際制造前就能針對模具進行調整，也能將Moldex3D反向翹曲仿真功能應用在原始模型上，以優化模具設計。
??觀看完整案例
來源：科盛科技
展開 Moldex3D模流分析之翹曲預測要精準 材料黏彈性很重要
作品大綱
要達到期望的產品質量并符合公差需求，翹曲預測至關重要；對纖維強化塑料來說尤其如此?？紤]材料黏彈性對于翹曲的影響，其重要性與應用程度也漸趨普及。在本研究中，Moldex3D用于研究黏彈性對翹曲分析的影響。藉由開發一種建立纖維強化塑料非等向性黏彈行為的方法，同時進行實驗驗證，利用含肋條的實驗模及3D掃描進行。結果顯示，正確的黏彈模型與量測方法對描述翹曲行為是不可或缺的。
挑戰
須開發一個可仿真產品翹曲并進行實驗驗證的系統
了解翹曲仿真中黏彈性的重要性
研究如何在實際產品中降低翹曲
解決方案
利用Moldex3D進行完整的瞬時分析，透過標準翹曲及含有黏彈的翹曲求解器獲得翹曲預測值，最后透過來自GOM GmbH的ATOS Triple Scan III 3D掃描來比對軟件的翹曲預測結果。
效益
引入黏彈后，產品最大翹曲量值預測正確性在不含纖材料上提升520%，在含纖材料上則提升78%
判別影響翹曲的重要因子
省下試誤法的開發成本
案例研究
本項目由曾在Moldex3D總部實習的博士生Philipp Siegfried Stelzer與奧地利的高分子產品工程學系(Institute of Polymer Product Engineering)的Major教授，以及德國Polyplastics Europe GmbH公司共同研究完成。
若要確保產品質量，正確的翹曲預測是必要的。為了準確模擬預測翹曲的趨勢和量值，則首先要先掌握材料特性。本項目目的即為驗證材料的黏彈性對于翹曲預測的影響。
在基準檢驗中使用兩種材料，包括純PBT熱塑性高分子材料，以及含30%短纖維的PBT。本項目包含原料的全面量測，以獲得材料的熱流變及機械性質，而這些皆為進行Moldex3D仿真時所必須的信息。
展開 Moldex3D模流分析之汽車車頂機匣零件翹曲問題
圖五 綠色部分為Moldex3D導出之翹曲模型；藍色部分為反變形模型
反變形模型的分析結果如圖六所示，總位移處的翹曲約2.19至12.85毫米，與原模型之翹曲趨勢及量值相似。
圖六 反變形設計總位移(放大兩倍)
最后，藉由模型輸出，將原始與反變形模型之翹曲前后進行迭圖。如圖七所示，黃色為原始零件模型，綠色為仿真之翹曲模型，藍色為利用仿真之反翹曲模型，洋紅色為反翹曲模型仿真后的結果。實際制程亦成功利用了反變形技術解決產品的翹曲問題，將18毫米的翹曲量減少至3毫米，如圖八所示。
此外，圖九為仿真與實際產品的驗證比對，可見實際產品的包封、流動波前等皆與模擬結果有高度相近。
圖七 原始模型與反變形模型之翹曲前后迭圖
圖八 原始設計與反變形技術之翹曲比較
圖九 比對仿真與實際產品的(a)流動波前、(b)包封
結果
Shape利用Moldex3D模擬結果來檢測并減少零件的整體翹曲，以滿足設計標準。透過驗證研究，讓Shape在第一次試驗(T0)即可生產合格的零件，并減少因模具和工具返工而產生的大量時間和成本。
展開 Shape成功優化汽車車頂機匣零件翹曲問題
圖5：綠色部分為Moldex3D導出之翹曲模型；藍色部分為反變形模型
反變形模型的分析結果如圖6所示，總位移處的翹曲約2.19至12.85毫米，與原模型之翹曲趨勢及量值相似。
圖6：反變形設計總位移（放大兩倍）
最后，藉由模型輸出，將原始與反變形模型之翹曲前后進行迭圖。
圖7：原始模型與反變形模型之翹曲前后迭圖
如圖7所示，黃色為原始零件模型，綠色為仿真之翹曲模型，藍色為利用仿真之反翹曲模型，洋紅色為反翹曲模型仿真后的結果。實際制程亦成功利用了反變形技術解決產品的翹曲問題，將18毫米的翹曲量減少至3毫米，如圖8所示。
圖8：原始設計與反變形技術之翹曲比較
此外，圖9為仿真與實際產品的驗證比對，可見實際產品的包封、流動波前等皆與模擬結果有高度相近。
圖9：比對仿真與實際產品的(a)流動波前、(b)包封
結果
Shape利用Moldex3D模擬結果來檢測并減少零件的整體翹曲，以滿足設計標準。透過驗證研究，讓Shape在第一次試驗(T0)即可生產合格的零件，并減少因模具和工具返工而產生的大量時間和成本。
資料來源
[1].本文經科盛科技授權后刊登，引自https://ch.moldex3d.com/blog/tips-and-tricks/predict-the-fiber-orientation-changes-in-compression-molding/
文章摘錄自ACMT技術月刊23/8月
未經同意，請勿轉載！
展開 
Moldex3D模流分析之將汽車內飾件設計提升新層次
挑戰
產品包封問題
產品嚴重翹曲變形，影響裝配
須縮短產品研發時間
解決方案
濾油器案例中，Moldex3D幫助改善了40%的翹曲問題，使產品符合所需的規格；汽車內飾件案例中，Moldex3D則協助解決了包封問題，避免外觀缺陷。
效益
成功驗證Moldex3D模擬與實驗結果的一致性
翹曲問題改善40%
找到合適的排氣位置來預防包封問題
啟發了「逆向模擬」的概念，可以做為未來產品開發的方向
案例研究
本文案例中，目的為驗證Moldex3D模擬與實驗結果的一致性，再進一步用于產品翹曲的改善與解決包封問題。
在第一個案例，施耐德博士集團以Moldex3D仿真一汽車主要組件的翹曲行為(圖一)以及車內收納盒的控制桿 (圖二)，結果顯示仿真與實驗結果相符。
圖一 汽車導引組件翹曲仿真結果與實際試模比較
圖二 控制桿翹曲模擬結果與實際試模比較
第二個案例中，濾油器組件的控制桿和蓋子的新設計，經Moldex3D偵測出有潛在的嚴重翹曲和包封問題。兩者都會造成裝配困難，并影響產品外觀。
為改善上述問題，施耐德博士集團提出新的產品設計方案，并透過Moldex3D的幫助，在產品收縮最嚴重的區域減少一半的料(圖三)，并在Moldex3D預測出的區域設計了合適的排氣位置(圖四)。變更后的設計由于產品厚度縮小，Moldex3D的仿真結果顯示翹曲情形已獲得有效改善。
圖三 在新的產品設計中，將收縮最高的部位減料一半
圖四 Moldex3D可準確預測包封位置，并用來設置合適的排氣位置
設計變更之后，再以Moldex3D模擬原始設計和優化設計。原始設計的翹曲分析結果顯示出，產品肉厚處會有較高的收縮率，導致翹曲量過大(圖五)。而由于肉厚改變的設計變更，翹曲量大幅縮減了40%(圖六)。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之PVT模型
在過去，熟化所導致的體積收縮在翹曲仿真中常會被忽略，但是最近有更多證據顯示其只考慮單純的PvT效應對于翹曲與殘留應力的計算是不夠的，尤其對于流長比較大的部件。只不過熱固塑料的PvT-C(熟化)關系并沒有被完整的確立，所以也沒有模型來描述熟化的影響，所以除了常數比容與修正版Tait模型2，也新增了兩個PVTC模型來納入熟化的影響。
兩域式Tait 修正模型(Two-Domain Modified Tait Model)
此熱固材料模型延伸自Tait 修正模型2，使用同一個公式來計算比容V，但是不同的是對熟化與非熟化的情形給不同的系數。由此可以分別得到熟化時與非熟化時兩個比容Vuncured和 Vcured再利用熟化率計算出實際的比容如下：
Spencer-Gilmore-C 模型 (僅適用熱固材料)
與原始的Spencer-Gilmore模型相較，多了一個參數, ζ, 來計算熟化(C)影響。
Tait-C 模型 (僅適用熱固材料)
與原始的Tait 模型相較，多了一個參數, ζ, 來計算熟化 (C') 影響。
展開 Moldex3D將汽車內飾件設計提升新層次
挑戰
產品包封問題
產品嚴重翹曲變形，影響裝配
須縮短產品研發時間
解決方案
濾油器案例中，Moldex3D幫助改善了40%的翹曲問題，使產品符合所需的規格；汽車內飾件案例中，Moldex3D則協助解決了包封問題，避免外觀缺陷。
效益
成功驗證Moldex3D模擬與實驗結果的一致性
翹曲問題改善40%
找到合適的排氣位置來預防包封問題
啟發了「逆向模擬」的概念，可以做為未來產品開發的方向
案例研究
本文案例中，目的為驗證Moldex3D模擬與實驗結果的一致性，再進一步用于產品翹曲的改善與解決包封問題。
在第一個案例，施耐德博士集團以Moldex3D仿真一汽車主要組件的翹曲行為(圖一)以及車內收納盒的控制桿 (圖二)，結果顯示仿真與實驗結果相符。
圖一 汽車導引組件翹曲仿真結果與實際試模比較
圖二 控制桿翹曲模擬結果與實際試模比較
第二個案例中，濾油器組件的控制桿和蓋子的新設計，經Moldex3D偵測出有潛在的嚴重翹曲和包封問題。兩者都會造成裝配困難，并影響產品外觀。
為改善上述問題，施耐德博士集團提出新的產品設計方案，并透過Moldex3D的幫助，在產品收縮最嚴重的區域減少一半的料(圖三)，并在Moldex3D預測出的區域設計了合適的排氣位置(圖四)。變更后的設計由于產品厚度縮小，Moldex3D的仿真結果顯示翹曲情形已獲得有效改善。
圖三 在新的產品設計中，將收縮最高的部位減料一半
圖四 Moldex3D可準確預測包封位置，并用來設置合適的排氣位置
設計變更之后，再以Moldex3D模擬原始設計和優化設計。原始設計的翹曲分析結果顯示出，產品肉厚處會有較高的收縮率，導致翹曲量過大(圖五)。
展開 案例 | 利用 Ansys Mechanical 進行封裝翹曲的分析和設計優化
在設計初期，為了防止單顆大尺寸 FCCSP 產品產生翹曲，甬矽電子選用了五種芯片厚度、兩種塑封體厚度制定單一變量方案進行仿真分析，通過 SpaceClaim 進行封裝模型的建立，如圖所示：
根據實際作業條件，施加約束及溫度載荷：
通過 Ansys Mechanical 進行計算，可得到此封裝產品的翹曲改變趨勢，封裝翹曲隨著芯片厚度的減小而減小、隨著塑封體厚度的增大而減小。甬矽電子之后根據仿真結果制定了最終的工程驗證方案：塑封體厚度為 0.45mm，芯片厚度為 0.175mm。
相關產品：Ansys Mechanical
最終成果
甬矽電子認為，在產品設計開發初期通過仿真軟件對封裝產品的翹曲問題進行分析優化，不僅能有效縮短產品研發周期，還能降低驗證成本。通過 Ansys Mechanical 進行封裝翹曲仿真，甬矽電子在產品設計初期預測多種結構設計方案的翹曲結果，優化封裝結構設計，同時減小后續工程驗證的次數，本案例中，他們將 10 個工程試驗方案的最終實現時間，減少為 1 個工作日。
來源于：ANSYS
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