第章ANSYS在电子产品设计中应用.doc

ANSYS在电子产品设计中应用 电子封装 图2-1 LSI Logic公司半导体封装温度场仿真 在典型的半导体封装过程中，首先进行元器件的布局，布局的合理性需要用热分析来决定，目的是为了使温度分布最优化。接着，连接导线完成封装模块电路，在这一过程中需要进行热-电分析以平衡压降和温度。同时，塑性分析被用来研究装配和制造过程中发生的导线挠曲现象，采用粘塑性分析校核焊点的强度。最后，用线弹性结构分析和动力分析研究整个封装模块的整体性能，用电磁场分析提取电子寄生参数，如瞬时电容和电感。 热分析：由于热是电子设备/电路的致命敌人，因此在电子封装中要进行大量的热分析，目的是在最小的空间内布置元件而又不使它们过热。为确定模块中的温度分布，在分析中要考虑每个元件产生的能量以及通过传导、对流和辐射散发出的热量。 热—电分析：在这种耦合场分析中要同时考虑电参数和元件的加热，例如：在电源和信号线等导线中，电压要降低而温度要升高。ANSYS的热－电耦合单元与以前的间接耦合相比，可同时进行这些分析，间接耦合要进行两种不同的分析，既费时又要进行大量的文件操作。 与时间无关的塑性分析：在半导体封装中一个常见的问题就是当导线等铜质元件在载荷作用下发生变形时（在生产过程中或在使用过程产生的热造成的），材料会表现出非线性即应力与应变不成比例。其特点是当应力达到一定值时材料会发生永久变形。ANSYS利用随动硬化、等向硬化、各向异性或用户定义的过程来考虑这一现象。 粘塑性分析：ANSYS基于Anand模型的粘塑性分析功能可描述高温下与变形速率相关的金属成型/变形过程，此时材料随时间要发生不可恢复的大变形。在开发过程中采用这些高级分析替代原来的样机测试方法节约了可观的时间和大量的资金。 结构分析：这种分析用来确定元件在载荷作用下的位移、应力、应变和力。在电子封装设计中，结构分析可预测元件及组装件如电路板、导线和硅器件的应力分布。 动态/模态分析：瞬态分析是用来确定在已知的随时间变化的载荷作用下元件的响应。模态分析用来确定元件（或组件）的模态和固有频率。 电磁分析： ANSYS高频电磁场可计算封装的寄生参数，如电感、电容。 （a）开关电源模块 （b） 稳态热分析结果 （c） 电流密度矢量 图2-2 Motorola开关电源模块电-热耦合分析 Motorola公司半导体产品部生产寻呼机、手机部件、自动工具等40,000余种产品，1992年该部门开始了到1997年将研发周期降低十倍的计划，计划实施的首要保障条件是选择良好的仿真工具，ANSYS以其独特的多物理场耦合功能被Motorola选为电子封装的唯一有限元仿真工具。半导体部的工程师采用ANSYS进行热耗散的稳态或瞬态热分析、电压降和温度平衡的（热/电）耦合分析、焊点的疲劳分析以及模态分析等。图2-2为1200V/1200A高性能IGBT模块的电－热耦合分析, 图（b）为电源模块中开关模块的稳态热分析结果，该开关模块使用NPT硅技术制造的，图（c）为电流密度矢量。 （a）选择半导体元件的界面 （b） BGA封装热应力 （c）温度分布 （d）应力分布 （e）横断面上的应力分布 图2-3 NEC电子封装专用模块 NEC信息系统公司几乎所有的封装设计均需通过有限元分析，为节省建模时间，他们以ANSYS软件为平台开发出半导体封装设计分析工具（图2－3），内置PGA、BGA、SOP等各种形式的封装方式。图（a）为选择封装方式的界面，图（b）为BGA封装热应力，图（c）、（d）、（e）为某一算例中半导体元件的分析结果。 图2-4 集成电路制造过程优化 日本福井电器株式会社为对集成电路半导体组合中半导体芯片和标准结构的联接方式进行技术改造，采用ANSYS软件对其进行模拟。方法是先用电加热使金球溶化，由毛细管将其压入设置在单晶硅片上的铝电极，并埋住晶格。研究的主要目的是降低金球被压入晶格时产生的撞击应力，以确保晶格的使用寿命。采用通用有限元分析软件ANSYS的弹塑性动态分析模拟金球压入和晶格被埋住时的应力状态。分析模型如图2－4所示，通过对单晶进行优化设计，单晶的应力比以前降低了53％。 焊点/脚分析 （a） 焊点结构示意 （b） 焊点应力分布 （c）PCB板应力分布 （d）PCB板上焊点应力分布 图2－5焊点/脚分析 电子元件内部，印刷电路板等电子结构上有数目庞大的金属焊点，由于室温已是焊点熔点的一半，因此焊点是电子产品中的薄弱环节。焊点（脚）所连接的PCB板、塑封材料或集成电路等材料都具有不同的热膨胀系数(CTE)，在长期的循环热载荷作用下，不同材料的热膨胀使金属焊点产生较