基于PERA SIM 的电子封装翘曲仿真分析

本文基于国产自主仿真软件PERA SIM Mechanical建立了某叠层封装翘曲的仿真过程，从导入几何模型开始，到划分网格、赋予材料参数、施加边界条件和加载载荷，以及设置分析参数、进行分析得到仿真分析结果，实现了芯片翘曲全过程三维仿真。分析得到翘曲位移结果和应力结果，对预测和分析电子封装潜在可靠性问题，优化芯片的结构和布局并提高芯片的整体性能提供依据。

关键词：芯片翘曲；电子封装；仿真

电子产品中需要使用大量封装器件,封装中使用了各种不同的材料，如芯片、基板、塑封等，这些材料具有不同的热膨胀系数（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）。当整个封装经历温度变化时，例如从封装过程时的高温降到室温，由于各种材料的热膨胀系数不同，伸缩不一致，进而导致封装产生翘曲。随着电子产品集成度及电性能要求的进一步提高，封装技术向超薄化发展，当封装变薄后，刚性显著降低，更容易变形，使得翘曲显著加大。

封装翘曲问题可能会导致电子产品性能下降、信号完整性问题或产生不良的互连。一方面，通过在设计阶段进行仿真，工程师只需要在计算机对不同封装模型进行建模模拟，不仅可以节省实验原料成本，还可以快速识别关键问题所在；另一方面，工程师可以结合DOE分析，通过考虑多组参数对翘曲的实际影响，优化芯片的结构和布局，获取最佳设计。

本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析软件对某一叠层封装（12mm*12mm*0.55mm）模型进行高温到室温的翘曲仿真分析，该模型主要由EMC、芯片（8mm*8mm*0.1mm）和基板组成，模型从上至下分别是CU层\FR4\CU层\CORE\CU层\FR4\CU层\DIE\EMC，仿真中取四分之一模型，加载对称边界条件。

图1 叠层封装的四分之一几何模型

3.1 模型网格划分

直接导入分析的几何模型，考虑到封装结构比较规则，且行业内多考虑共节点网格，为方便后期共节点处理，考虑通过拖拉壳单元/实体面网格的方法自下而上划分网格，即先划分emc，在emc表面生成壳网格后拖拉成实体单元，生成实体单元面。再往上通过拖拉实体单元面的方法划分其他组件网格，每层组件厚度上划分2-3层单元。最后，通过检查重叠节点的方法，合并相关节点。网格基础大小为0.2mm，统计划分单元数目18963，节点数目21208，具体操作可详见视频。

图3  封装模型的网格

3.2 材料定义

下表列出了模型中相关组件的材料属性设置：

EMC温度相关的材料杨氏模量和热膨胀系数见下表，单位MPA：

Die温度相关的材料杨氏模量和热膨胀系数如下表：

PERA SIM软件可以通过表格定义的方法，定义温度相关的材料属性，同时对材料的热属性和结构材料属性进行组合。定义好相关材料属性后，将材料属性分配到各零部件。

3.3 边界条件和载荷设定

边界：仿真使用四分之一模型，因此在对称面上加载对称边界，并固定对称交界边界最低点。

载荷：加载温度载荷25°，模型参考温度141°。

3.4 求解设置

建立非线性静力分析工况，并设置载荷子步，本次分析中，采用自动时间步长，初始子步数设为10，最小子步数为5，最大子步数为50，存储每个载荷子步结果。设置完成后，直接提交作业进行计算即可。

图4  求解设置

计算完成后，通过在相应的作业上右键点击加载结果，即可进入到后处理模块。计算得到的总变形和总体等效应力结果如下：获取翘曲总位移结果为93微米，小于但接近100微米允许范围，最大等效应力发生在芯片和铜层交接位置，芯片上最大等效应力为189.981MPA。

图5 总位移结果

图6 等效应力结果

本文通过国产自主研发的PERA SIM Mechanical通用结构仿真软件，对封装翘曲行为进行了有限元分析。有限元分析得到的封装翘曲位移和应力结果可以帮助工程师在产品开发阶段预测翘曲可能带来的产品缺陷。在此基础上，工程师可以进一步通过多工况分析，例如修改封装结构、更改工艺条件或者选择更合适的封装材料来减少生产过程中由于翘曲导致的缺陷，提高生产良率。

PERA SIM Mechanical在计算封装翘曲的过程中可以一站式完成模型的几何处理、材料定义、网格划分、接触设置（本例中如考虑接触亦可实现）、分析求解和结果后处理，操作流程清晰完善，求解器功能可以满足电子行业中诸如此类分析需求。