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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。

2.3 結論由以上仿真結果可知，當 PCB翹曲時，焊球、芯片、PCB板、環氧樹脂等會受到不同程度的應力，分析可得出如下結論：各部分所受的應力與PCB板翹曲度呈正相關性，翹曲越大，應力越大；所有計算結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度（焊球屈服強度44MPa），顯然承受了較大的應力（約10MPa~25MPa）；其他部分在最大翹曲0.008時均不超過6MPa，遠遠低于自身的屈服強度

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

由于微芯片封裝包含許多復雜組件，故芯片封裝制程中將會產生許多制程挑戰與不確定性。常見的IC封裝問題如：充填不完全、空孔、金線偏移、導線架偏移及翹曲變形等。

效益 • 降低機臺噸數 • 避免裝配時發生問題 • 減少翹曲 • 改進整體產能 案例研究 本案例主要目的是解決車頂機匣零件的翹曲問題，此產品對成品尺寸精度有特定要求，有多個位置需和其他零件進行組裝，如圖二組裝圖所示。

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。

圖一 本案例儲罐封頭之幾何儲罐封頭的幾何相當復雜且精度要求高，Moldex3D所提供的網格建造和求解器功能，讓用戶可以不必簡化網格，直接在軟件中進行仿真。此外軟件中的量測節點也是一項實用功能，可幫助在翹曲分析結果中，擷取螺紋上不同部位的變形資料。除了原始設計之外，本案例中進行了5項設計變更。設變的差異主要為澆口數量、澆口類型和位置。

由于微芯片封裝包含許多復雜組件，故芯片封裝制程中將會產生許多制程挑戰與不確定性。常見的IC封裝問題如：充填不完全、空孔、金線偏移、導線架偏移及翹曲變形等。

圖七 翹曲結果驗證: (a)原始設計及(b)反轉翹曲之后的產品表一 原始及模具設計變更的最大尺寸偏差值比較結果本案例呈現Moldex3D預測肉厚產品翹曲的能力，從而以反轉翹曲方式進行模具補償，以修正翹曲問題。最終成品達到所需的尺寸精度、滿足幾何偏差容忍度，并解決了翹曲問題。

左圖為一個包含不同芯片封裝PCB板模型，芯片和電路板之間用焊球連接。兩塊區域包含72個焊球，每個焊球原始直徑1.2mm，高度0.8mm。將整個模型均勻回流加熱至538K，觀察回流焊過程中焊球的變形。右上圖為PCB組件最終變形(z位移輪廓:mm)；右下圖為(a)頂部芯片(b)底部芯片(z位移輪廓:mm)連接變形焊料的最終形態。

由于本案例的產品對外觀精度要求極高，因此翹曲變形成為亟需解決的問題。 圖二 充填99.9%時的流動波前 圖三 原始設計橫切面的體積收縮情形 為了將流動不平衡降低，并改善翹曲問題，光寶科技變更了澆口設計：移除了最中心的澆口(圖四)，外側的澆口也向外移動40mm。根據Moldex3D的模擬結果(圖五)，變更后的設計可有效改善翹曲位移情形。

圖一 本案例為播放器前蓋，其尺寸外觀與精度要求甚高 挑戰 • 產品收縮率分布不均勻，導致嚴重翹曲變形 • 成型周期過長 • 產品光澤面不能有縫合線、凹陷等外觀缺陷 解決方案 使用Moldex3D eDesign仿真解決方案，在產品設計與制造初期掌握變形程度，以模擬結果為設計變更與優化制程參數的方向，成功改善產品變形問題，縮短成型周期

圖一 本案例儲罐封頭之幾何儲罐封頭的幾何相當復雜且精度要求高，Moldex3D所提供的網格建造和求解器功能，讓用戶可以不必簡化網格，直接在軟件中進行仿真。此外軟件中的量測節點也是一項實用功能，可幫助在翹曲分析結果中，擷取螺紋上不同部位的變形資料。除了原始設計之外，本案例中進行了5項設計變更。設變的差異主要為澆口數量、澆口類型和位置。

左圖為一個包含不同芯片封裝PCB板模型，芯片和電路板之間用焊球連接。兩塊區域包含72個焊球，每個焊球原始直徑1.2mm，高度0.8mm。將整個模型均勻回流加熱至538K，觀察回流焊過程中焊球的變形。右上圖為PCB組件最終變形(z位移輪廓:mm)；右下圖為(a)頂部芯片(b)底部芯片(z位移輪廓:mm)連接變形焊料的最終形態。

注：僅限灌膠式點膠制程模擬? 翹曲 (Warpage)由于芯片封裝的組件（例如：環氧樹脂封裝材料、芯片、金線及導線架）之間有不同的熱傳導，因此翹曲成為芯片封裝失敗的常見問題。Moldex3D芯片封裝成型模塊將能清楚仿真此現象的發生情形。 翹曲行為(X, Y, Z) 位移這些項目顯示，當封裝在硬化后冷卻至室溫時，所發生的每個方向位移現象。

CPS 熱分析流程 堆疊方式提高了芯片的集成度，但功率密度的提升也給散熱設計帶來了很大的挑戰，2.5D TSV 封裝的性能和可靠性受互連焊接點的結構性能影響較大[12]，尤其是熱應力導致的翹曲等問題，所以散熱仿真的精度至關重要。

熱膨脹與應力翹曲3D-IC中使用了多種材料（硅、金屬、介質等），它們的熱膨脹系數不同。當溫度變化時，各層材料膨脹幅度不一，會產生機械應力和翹曲，影響芯片性能和可靠性。

邊緣及小圓孔掃描完整，位置精度要求較高解決方案1、 藍光三維掃描，分析安裝孔位（含6個螺紋孔）位置度2、 采用灰度特征值對孔位進行擬合，精度更高3、3D曲面與CAD設計面貼合度（自由曲面形位公差分析）應用案例：汽車保險杠塑料件檢測檢測需求1、裝配孔位多，且分布密集2、注塑模具精度驗證，翹曲變形檢測

圖一 隱形眼鏡殼模之基弧與前弧挑戰 尺寸收縮變形與翹曲解決方案利用Moldex3D 專家分析模塊找出最佳成型參數，改善產品收縮變形。效益 減少試模時間與風險，降低人力成本 改善產品翹曲變形達28%案例研究本案例的產品為隱形眼鏡殼模，因產品需要經過二次加工，尺寸精度尤為重要。