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行业概述
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随着半导体高密度先进封装HDAP(High Density Advanced Package)日益增长的复杂性,企业需要采用集成的工具链来降低呈指数增长的设计费用


                一个完整的无缝的半导体封装解决方案:

n 使用一套完善的可靠的工具链进行设计、模拟和测试

n






实施标准化的数据格式,实现工具间的无缝转换

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ECAD-MCAD协同设计

l ECAD-MCAD设计工具应用于电气、热和机械领域

l 通过集成的ECAD-MCAD仿真生态系统更快地开发集成电路



仿真设计

先进封装中最关键的挑战之一是控制半导体温度。这就是热设计成为封装设计工作流程中越来越重要组成部分的原因。通过保持较低的结温,可以简单地避免管芯附着层或C4凸块中的裂纹或分层等问题。

使用专用CFD和FEA求解器的联合模拟来分析复杂包装结构的热和机械行为。

我想通过下面几个简单的步骤来说明这个过程有多简单。

封装设计可以使用MCAD工具,也可以直接在热仿真工具中创建。我们使用Simcenter FLOEFD作为嵌入在MCAD NX环境中的CFD解决方案,以创建下面的封装设计。由于FLOEFD有一个“封装创建器”工具,支持使用参数化输入对常见封装类型进行快速建模,因此可以在几分钟内创建一个FCBGA(倒装芯片球栅阵列)封装模型。参见图1。

图1在FLOEFD中给NX创建FCBGA示例.png

图1:在FLOEFD中给NX创建FCBGA示例


Simcenter FLOEFD建立在智能、快速和精确技术的基础上,有助于将整体模拟时间减少75%,并将生产率效率提高40倍。

该器件可以单独仿真,也可以安装在与其预期应用类似的PCB上。这就是为什么西门子支持从Xpedition到MCAD NX环境的无缝PCB模型导入,在这里建模的芯片及其所有内部细节被添加。参见下面的图2。

图2PCB模型导入和添加改进的封装定义.png

图2: PCB模型导入和添加改进的封装定



下一步是根据研究目标,利用整个PCB或封装下方的一个狭窄部分进行仿真。在热仿真开始之前,应定义材料,并直接从包创建者导入或手动添加。该模型可以用于传导对流流和辐射仿真。在FLOEFD中会自动创建一个精确的热网格,然后开始仿真。当前示例在不到两分钟的时间内生成了120万个网格,花25分钟获得瞬态模拟的解决方案,远远超过了传统方法。结果如下所示,包括材料温度和设备上的气流。


图3热气流模拟结果.png





3:热气流模拟结



结构模拟:

Simcenter FLOEFD可以创建有效的六边形网格,直接使用现有模型进行线性应力分析,并计算诸如Von Mises应力或等效拉伸应力等场:

图4在Simcenter FLOEFD中生成的Von Mises应力结果.png


4:在Simcenter FLOEFD中生成的Von Mises应力结



为了进行非线性分析,模型被转移到Simcenter 3D,而不离开MCAD NX生态系统。网格、材料、胶接触、约束和载荷(常数值或从另一个Simcenter FLOEFD计算中转移)可以无缝地转移到Simcenter 3D,您可以从各种有用的求解器中进行选择,如热循环的蠕变、位移和疲劳模拟。图5显示了我们的热负荷示例案例的蠕变模拟结果。


图5热负荷下的位移模拟结果.png

5:热负荷下的位移模拟结



热模型校准:

      即使FloEFD仿真工具已经非常成熟并得到市场的考验及认可也建议您通过物理实验测试组件的最终热特性,如果模拟和测试结果不匹配,则应重新校准热模型参数。西门子提供了一种独特的测试方法,称为Simcenter T3Ster(热瞬态测试仪),可以在半导体芯片上施加功率阶跃,并测量其相应的热响应。“单位功率阶跃响应”是热系统的特征,因此封装的传递函数很容易计算。


因此,封装可以用由数百个元件组成的等效热R-C网络来建模。对于一维散热情况,这些R-C元件与封装各结构层的真实热特性密切相关。

出于模型校准目的,如果我们在Simcenter FLOEFD内重复测试,使用与测试中相同的边界条件、输入功率和瞬态时间步长,描述封装数字孪生的R-C网络模型必须与从测试中获得的R-C网络模型相同。如果出现不匹配的情况,Simcenter FLOEFD可以自动找到缺失的接触热阻值,调整不明确的热导率,甚至根据需要调整几何形状。


t3ster.png


校准后的热模型:

· 它的热行为与真实的物理设备完全一样,

· 即使在瞬态模拟情况下也是如此相应的结构模拟也将更加精确,因为它们需要精确的热场作为输入

· 所选材料的行为将得到理解,并可保存在库中,用于创建更好的模型


* 庭田科技,专注于为半导体封装提供整体解决方案,

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