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摘要：本文基于國產(chǎn)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(dǎo)入幾何模型開始，到劃分網(wǎng)格、賦予材料參數(shù)、施加邊界條件和加載載荷，以及設(shè)置分析參數(shù)、進(jìn)行分析得到仿真分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了芯片翹曲全過程三維仿真。分析得到翹曲位移結(jié)果和應(yīng)力結(jié)果，對(duì)預(yù)測和分析電子封裝潛在可靠性問題，優(yōu)化芯片的結(jié)構(gòu)和布局并提高芯片的整體性能提供依據(jù)。

咨詢電話：020-66221668部分素材來源于網(wǎng)絡(luò)推薦閱讀塑料螺旋流動(dòng)測試：評(píng)估材料充模能力的核心方法多尺度流體表征：旋轉(zhuǎn)流變儀讀懂物質(zhì)從“固態(tài)”到“液態(tài)”的變形語言室溫下金屬圓棒試樣高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)影響因素分析汽車安全氣囊塑料罩蓋點(diǎn)爆仿真材料卡片準(zhǔn)確性提升研究

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(lán)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(jié)果。實(shí)際制程亦成功利用了反變形技術(shù)解決產(chǎn)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(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證比對(duì)，可見實(shí)際產(chǎn)品的包封、流動(dòng)波前等皆與模擬結(jié)果有高度相近。

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(lán)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(jié)果。實(shí)際制程亦成功利用了反變形技術(shù)解決產(chǎn)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。

挑戰(zhàn)須開發(fā)一個(gè)可仿真產(chǎn)品翹曲并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)了解翹曲仿真中黏彈性的重要性研究如何在實(shí)際產(chǎn)品中降低翹曲解決方案利用Moldex3D進(jìn)行完整的瞬時(shí)分析，透過標(biāo)準(zhǔn)翹曲及含有黏彈的翹曲求解器獲得翹曲預(yù)測值，最后透過來自GOM GmbH的ATOS Triple Scan III 3D掃描來比對(duì)軟件的翹曲預(yù)測結(jié)果。

可以在Digimat FE中使用這些預(yù)測的性能來評(píng)估在Marc中執(zhí)行翹曲分析所需的PCB材料特性。這里描述的開發(fā)方法可以使西部數(shù)據(jù)公司的工程師進(jìn)行PCB在不同溫度載荷下的翹曲行為研究，同時(shí)能顯著減少實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間和相關(guān)成本。

通過 Ansys Mechanical 進(jìn)行封裝翹曲仿真，甬矽電子在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期預(yù)測多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的翹曲結(jié)果，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)減小后續(xù)工程驗(yàn)證的次數(shù)，本案例中，他們將 10 個(gè)工程試驗(yàn)方案的最終實(shí)現(xiàn)時(shí)間，減少為 1 個(gè)工作日。 來源于：ANSYS

圖二 KOPLA不斷變更澆口位置設(shè)定，并個(gè)別進(jìn)行翹曲變形的模擬決定澆口位置后，KOPLA利用Moldex3D FEA Interface將翹曲的模擬結(jié)果，包括纖維配向、元素計(jì)算結(jié)果輸出至ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以觀察產(chǎn)品組裝后的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的平整面發(fā)生翹曲，而利用模具反變形可以補(bǔ)償位移帶來的組裝問題，因此組裝的孔洞位置將與預(yù)期相同。

素材來源于網(wǎng)絡(luò)推薦閱讀MAT_58材料卡片在新能源汽車復(fù)合材料底護(hù)板仿真分析中的應(yīng)用3D輪廓掃描儀：零部件仿真數(shù)模比對(duì)、翹曲分析的“慧眼”技術(shù)研究｜樣品和方法差異對(duì)聚丙烯 TMA 測試 CLTE 的影響

挑戰(zhàn) • 翹曲變形 • 真圓度 解決方案 利用Moldex3D DOE模塊找出最優(yōu)化的制程設(shè)定，以改善翹曲和線性收縮。 案例研究 以下案例研究中將介紹Plazology如何利用Moldex3D射出成型仿真分析軟件獲得最佳的制程設(shè)定。 圖一 本案例中壓頭的 CAD 模型 圖一是洗手乳瓶壓頭的 CAD 模型。

首先藉由Moldex3D粉末射出成型模塊仿真原始設(shè)計(jì)的成型條件。仿真結(jié)果顯示此雙射生胚有不均勻的體積收縮，會(huì)造成嚴(yán)重的翹曲變形，且會(huì)影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。接下來以田口方法決定充填時(shí)間、保壓壓力、模溫和料溫等成型參數(shù)，直交表包含此四個(gè)變量各有三個(gè)階層，并根據(jù)優(yōu)化的成型參數(shù)進(jìn)行氧化鋯人工牙根進(jìn)行模擬分析。

圖三 不同澆口長度之產(chǎn)品設(shè)計(jì)的澆口壓力結(jié)果比較接下來和碩嘗試改善產(chǎn)品翹曲。Moldex3D仿真結(jié)果顯示產(chǎn)品Z方向翹曲值為8.12mm，超過了規(guī)格1.0mm。此外翹曲結(jié)果也指出產(chǎn)品的收縮效應(yīng)大于熱效應(yīng)(圖四)。為了改善此問題，和碩團(tuán)隊(duì)嘗試在材料中添加不同比率的玻纖，并以Moldex3D驗(yàn)證翹曲結(jié)果。

挑戰(zhàn)· 翹曲變形· 真圓度解決方案利用Moldex3D DOE模塊找出最優(yōu)化的制程設(shè)定，以改善翹曲和線性收縮。案例研究以下案例研究中將介紹Plazology如何利用Moldex3D射出成型仿真分析軟件獲得最佳的制程設(shè)定。 圖一 本案例中壓頭的CAD模型圖一是洗手乳瓶壓頭的CAD模型。

案例研究 首先經(jīng)由Moldex3D模流分析軟件分析，得知該產(chǎn)品有充填流動(dòng)不平衡的問題，導(dǎo)致保壓不均勻、體積收縮不良產(chǎn)生變形；透過軟件的翹曲變形仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在X方向呈現(xiàn)V形變形趨勢(shì)　(圖二)，可能導(dǎo)致日后組裝困難。另外，Moldex3D保壓仿真分析結(jié)果顯示，產(chǎn)品的保壓溫度分布幾乎都在凍結(jié)溫度(135°C)以上，代表保壓時(shí)間十分充足，可嘗試減少保壓時(shí)間。

長平板與突變平板翹曲結(jié)果Moldex3D分析結(jié)果可以驗(yàn)證不同的溫度設(shè)定與產(chǎn)品肉厚，其控制因子對(duì)于產(chǎn)品的一定影響；其分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相符合。因此，使用Moldex3D作為先期預(yù)測的仿真分析軟件來預(yù)測其流動(dòng)和收縮翹曲的情況，以其結(jié)果來做后續(xù)實(shí)際開模則可省去許多測試成本。

然而仿真結(jié)果顯示，使用這些方法，模內(nèi)的氣體流動(dòng)都未得到優(yōu)化結(jié)果(皆產(chǎn)生氣體指紋效應(yīng))，充填、保壓和冷卻階段無法達(dá)到足夠的平衡，若要優(yōu)化制程，就必須進(jìn)行大規(guī)模的模具修改，有違初衷。圖五 氣體分別自(a)流道系統(tǒng)、(b)左側(cè)進(jìn)澆口、(c)右側(cè)進(jìn)澆口及(d)鉤子前端注入。

回火仿真的微觀力學(xué)模型會(huì)承接「翹曲變形」頁面設(shè)置，并且可以在Log文件中檢查仿真模式。 目前提供三種微觀力學(xué)模式可供選擇 步驟3：在「應(yīng)力」頁面中，使用者要選擇的分析方式為「回火類型」。然后，在標(biāo)準(zhǔn)分析序列中（CFPCW）模擬完成應(yīng)力Stress-S分析。

相較之下，設(shè)計(jì)變更后的產(chǎn)品(圖七)則沒有明顯的收縮區(qū)域，翹曲問題已獲得大幅改善。經(jīng)由實(shí)驗(yàn)證明，Moldex3D的模擬結(jié)果與實(shí)際試模高度吻合。 圖六 原始設(shè)計(jì)的實(shí)際試模(左)與仿真結(jié)果(右)產(chǎn)品變形狀況比較 圖七 設(shè)計(jì)變更后的實(shí)際試模(左)與仿真結(jié)果(右)產(chǎn)品變形狀況比較 Moldex3D可以將模流分析結(jié)果對(duì)應(yīng)到結(jié)構(gòu)分析軟件中，再進(jìn)行產(chǎn)品組裝的結(jié)構(gòu)分析。

2.3 結(jié)論由以上仿真結(jié)果可知，當(dāng) PCB翹曲時(shí)，焊球、芯片、PCB板、環(huán)氧樹脂等會(huì)受到不同程度的應(yīng)力，分析可得出如下結(jié)論：各部分所受的應(yīng)力與PCB板翹曲度呈正相關(guān)性，翹曲越大，應(yīng)力越大；所有計(jì)算結(jié)果均沒有超過材料本身的屈服極限，但是焊球相比自身的屈服強(qiáng)度（焊球屈服強(qiáng)度44MPa），顯然承受了較大的應(yīng)力（約10MPa~25MPa）；其他部分在最大翹曲0.008時(shí)均不超過6MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自身的屈服強(qiáng)度

透過CAE分析，生產(chǎn)者可以事前仿真產(chǎn)品質(zhì)量，然而如果只考慮了第二射的加工過程，可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來不確定性。因?yàn)槎啻紊涑雠c多種不同材料的影響，嵌件在前一射的制程與結(jié)束時(shí)的狀態(tài)，也將會(huì)影響到第二射產(chǎn)品的翹曲行為。因此在CAE模擬中，將需要更進(jìn)一步掌握前一射對(duì)產(chǎn)品翹曲的影響。前一射材料性質(zhì)對(duì)第二射翹曲的影響在翹曲行為中，材料的機(jī)械性質(zhì)與熱膨脹性質(zhì)是重要因素。