研討會精華分享一：仿真測試技術在微電子封裝中的應用
11月16日，由深圳市有限元科技有限公司&達索系統(tǒng)Simulia聯(lián)合主辦的“第二屆電子產(chǎn)品性能設計提升研討會”，在深圳深航酒店成功召開。此次“電子產(chǎn)品性能設計提升”主題研討會，旨在通過會議搭建一個開放的技術交流平臺，分享電子產(chǎn)品設計方面的成果與經(jīng)驗，共同探討電子領域面臨的技術難題。以下，將為大家分享會議精華一：仿真測試技術在微電子封裝中的應用（中電38所研究員王志海老師報告）。
電子封裝是集成電路芯片生產(chǎn)完成后不可缺少的一道工序，是器件到系統(tǒng)的橋梁。封裝這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)對微電子產(chǎn)品的質量和競爭力都有極大的影響。封裝研究在全球范圍的發(fā)展是如此迅猛，而它所面臨的挑戰(zhàn)和機遇也是自電子產(chǎn)品問世以來所從未遇到過的；封裝所涉及的問題之多之廣，也是其它許多領域中少見的，它是從材料到工藝、從無機到聚合物、從大型生產(chǎn)設備到計算力學等一門綜合性非常強的新型高科技學科。那么仿真測試技術在微電子仿真中起到哪些作用呢？
微電子封裝目的：
→ 保護芯片（力）
→ 提供功率和信號傳輸（電）
→ 芯片散熱（熱）
→ 方便測試和上板
微電子封裝技術層次：
→ Level 0(晶圓級)：芯片級互連
→ Level 1(芯片級)：芯片級封裝（Chip Leve Pcakaging）
→ Level 2(組裝級)：將若干個模塊與其他電子元器件組成一個電路（Card）的工藝
→ Level 3(板級)：將若干個Card組合在一個主電路板（Board）上，形成一個部件或者子系統(tǒng)的工藝
微電子封裝難點與問題：
1、封裝熱-力-電耦合問題突出
→ 溫度影響材料力-電性能、影響器件電性能
→ 溫度應力、機械應力導致鏈接界面失效、影響傳輸性能
①正常工作→信號傳輸時溫升顯著→材料物性、器件性能，結構變形→影響電特性
②外部環(huán)境（振動溫度）→結構變形→影響電特性
③封裝工藝偏差→傳輸性能降低（損耗增大）、熱量增加→溫度升高→結構變形、失效→影響電特性
④元器件數(shù)量、材料體系復雜、封裝界面多→可靠性降低
2、傳統(tǒng)封裝設計模式“試-錯”為主，研發(fā)周期長、成本高
→ 缺少正向設計手段，小批量試制+可靠性增長（失效分析+改進）
→ 可靠性增長試驗設計缺少量化指導，加速試驗設計缺乏理論指導
→ 工藝參數(shù)、鏈接構型、熱力性能、失效模式無對應關系，改進預測難
3、封裝仿真設計介入有限
→ 材料體系-焊料、導電膠（溫度相關、時效相關、非線性） | 缺少準確的熱力本構
→ 連接構型-構型表征 | 缺少準確的物理構型
→ 載荷邊界-回流焊、鍵合、振動、沖擊、溫循、老練 | 缺少準確的載荷邊界處理
→ 結果評估-本體、界面（強度、失效、壽命） | 缺少準確的評估方法
→ 設計知識和經(jīng)驗難以共享（傳承性差）
→ 借助商用軟件、學科分離串行、迭代（效率低）
→ 多尺度建模（要求高）
→ 商用軟件二次開發(fā)（使用難）
→ 可靠性仿真（評估難）
封裝設計流程圖：
1、方案階段：
電性能完整性
熱性能完整性
2、詳細設計階段：
結構安全性
3、工藝制造階段：
典型封裝工藝
典型組裝工藝
可制造性設計
4、可靠性評估
器件級
板級
5、失效分析與評估
板理分析
設計優(yōu)化
封裝失效機理：
- 本質上就是一場本體耐受力和外部載荷的拔河比賽
封裝設計仿真應用案例：
案例1：芯片老練阻值異常
- 導電膠封裝工藝導致阻值異常
- 阻值異常導致焦耳熱產(chǎn)生異常溫升
- 熱力不匹配家具阻值異常
案例2：陶瓷引腳失效分析
- 熱力不匹配
- 優(yōu)化引腳構型
- 優(yōu)化傳熱方式
案例3：大電容移位封裝失效
- 開展附著力試驗，提取離散數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律
- 建立匹配試驗的仿真模型，建立界面評估準則
- 優(yōu)化焊接界面構型，定義焊盤評估標準，規(guī)范外協(xié)質量
案例4：某列線源焊接工藝優(yōu)化設計
- 焊接降溫、空氣冷卻
- 優(yōu)化工裝
- 優(yōu)化反變形
- 優(yōu)化材料體系
案例5：TSV封裝仿真DOE試驗設計
- 優(yōu)化工裝、反變形、材料體系
封裝仿真測試暢想：
一、封裝仿真設計如何能仿準？
封裝仿真設計有著很大的難度和諸多不確定的因素，而仿真只有在準確性達標的情況下才能大面積推廣，以下因素是我們仿真準確與否的重要關注點:
- 準確的材料體系
①彈塑性、蠕變 自測、聯(lián)盟、資源共享
- 準確的便捷描述
①工藝過程的科學表征 熱源分布、溫度分布
②科學表征對應工具識別載荷 載荷庫+定制模板
- 機電熱耦合機理
①提煉機熱、機電、熱電、機電熱耦合關系 機理分析
②規(guī)范機熱、機電、熱電、機電熱耦合仿真模板 仿真模板
- 可靠的仿真工具
①嵌入工程知識 知識+定制模板
②嵌入式鹽修正 仿真測試相關
- 有效的樣機驗證
①過程檢測與性能評估 系統(tǒng)測試+內(nèi)部推演
二、工藝能預測嗎？
工藝大部分時候都是基于經(jīng)驗去做的，如為什么用某個溫度曲線，為什么要用該焊料尺寸形態(tài)等,是一種偏經(jīng)驗化的設計。工藝是否能夠變得與結構仿真類似一樣，通過偏正向設計的方法來完成呢？以下因素是我們實現(xiàn)工藝正向化設計的關鍵:
- 工藝參數(shù)能科學量化表征
①封裝工藝分類 焊接、膠結、鍵合
②封裝工藝參數(shù)表征 溫度曲線、焊接種類、焊接厚度、溫濕角、工裝形式
- 工藝參數(shù)與性能關系能映射
①工藝參數(shù)的科學表征 知識經(jīng)驗+科學識別
②性能參數(shù)的科學表征 性能表征體系+試驗數(shù)據(jù)
- 已知性能能預測工藝嗎？
①既定目標的反演 數(shù)據(jù)挖掘
②工藝參數(shù)的實操 過程控制
③預測與實操的修正 虛實相關
封裝技術作為信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎在在產(chǎn)品中發(fā)揮著很大的作用，現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的競爭在某種意義上主要就是電子封裝業(yè)的競爭，它在一定程度上決定著現(xiàn)代工業(yè)化的水平。CAE仿真技術在封裝中的應用對產(chǎn)品性能、可靠性、壽命、成本等方面的提高有著不容忽視的重要作用。當然，芯片封裝的仿真分析應用中還有許多很深入、復雜并極具挑戰(zhàn)性的難題，需要多門學科的理論和方法的綜合應用。面對這些挑戰(zhàn)，元王愿與業(yè)內(nèi)專家共同努力解決難題。
