1、本文概述
本文先进行焊球黏塑性模型仿真,重点关注焊球应变。其次,根据超薄存储芯片三维堆叠封装的服役可靠性研究论文中的温度加载条件,重点学习论文中温度循环条件的加载。具体细节如下文:
2、几何模型概述
模型视图以及模型尺寸如下图所示:
3、材料数据、几何前处理
打开workbench---双击static structure---engineering data---删掉static steel(在芯片仿真中不常用)---总共需要建立molding、silicon、solder、underfill、substrate(五种材料)---在Click here to add a new material处输入substrate回车(substrate材料以TU798为例,这款材料经常使用)----在BiYing上直接搜索TU-768(https://www.tuc.com.tw/zh-cn/products-detail/id/24)---下拉找到下方的.pdf文件--Tg中的DMA对应的是杨氏模量的温度,DMA对应的是CTE的温度—1000psi对应7MPa---将physical properties下的orthotropic secant coefficient of thermal expansion拖动到properties of outline row 3 的property中----设置coefficient of thermal expansion x direction和z方向均为11e-6(这里有篇论文:The Effects of Underfill and Its Material Models on Thermomechanical Behaviors of Flip Chip Package )---默认y方向是substrate的法向方向且该方向的CET为50e-6---在第五个框内的temperature处输入25(室温)---点击Properties of Row 3处的coefficient of thermal expansion就可以在第四部分处看到全部信息---然后在Temperature处输入170---x,y,z方向的CET都和上方一样---再在temperature处输入260---x方向是15e-6、y方向是100e-6---z方向是15e-6----然后可以在下方看到CTE随着温度的变化情况---设置zwro-Thermal-Strain Reference Temperature(0应变参考温度)为25℃---然后将Linear Elastic下的Isortropic Elasticity拖到Row 3中的property中---将杨氏模量(Young’s Modulus) 的单位改为Mpa—数值输入25000(那个文档上是Gpa,转换下就可以了)---poisson’s ratio根据经验(玻纤都是0.22)---点击Isotropic Elasticity在Row 12可以看到全部信息,然后在Temperature处输入25(表示在25℃时)---然后分别添加190、260℃---190时候的杨氏模量为25000(文中没给,根据经验)---泊松比为0.22---260℃的时候是12000,泊松比也为0.22
建underfill的材料属性:
在click here to add a new material中输入underfill(underfill都是胶水,是各项同性材料)----将physical properties下方的Isotropic secant coefficient of Thermal Expansion和Linear Elastic下方的Isotropic Elasticity拖到Engineer Data下方的underfill下---在coefficient of Thermal expansion输入26e-6(来源于文献)---在第四个表格中的Temperature处输入25,下方输入135、260----对应的热膨胀系数同上26e-6、110e-6----zero-Thermal Strain Reference Temperature为25℃---设置杨氏模量为9000MPa(注意单位)---弹性模量为0.22-----点击Isotropic Elasticity,在上方的Temperature下方输入25---下方依次输入135、260;对应杨氏模量依次为9000、300---对应的泊松比依次为0.22、0.22
建silicon的材料属性:
在click here to add a new material中输入silicon,回车----将physical properties下方的Isotropic secant coefficient of thermal expansion拖到Property中去---将Linear Elastic中的Isotropic Elasticity拖到property中---coefficient of Thermal expansion输入2.6e-6---杨氏模量为112000MPa(注意单位)---泊松比为0.28(因为这个是晶体,所以没有随温度变化
Molding材料属性
在click here to add a new material中输入molding,回车----将physical properties下方的Isotropic secant coefficient of thermal expansion拖到Property中去---将Linear Elastic中的Isotropic Elasticity拖到property中去---设置molding和underfill材料相同
Solder材料属性(采用SAC305;见的最多)
在click here to add a new material中输入SAC305---将physical properties下方的Isotropic secant coefficient of thermal expansion拖到Property中去---将Linear Elastic中的Isotropic Elasticity拖到property中去---将plasticity下的Anand Viscoplasticity拖到property—设置热膨胀系数为25e-6—杨氏模量为40000MPa(注意单位)---泊松比为0.35---在Anand Viscoplasticity中的Reference Units需要设置为Mpa---然后后面的数值就直接跟着上一页的ppt往下输数值就可以了。
关闭project右边的2:Engineering Data;采用design modeler打开
几何处理
(几何导入到DM中之后,需要检查模型是否有错误)Generate---用图1的方式创建一个面,然后右击plane 4---generate---右击plane 4—右击plane 4--generate---然后再右击edit selection edit ---在base entities中选择刚刚做的两个边—apply—再右击plane 4—generate---选择plane 4---点击slice—base plane选择plane 4—apply—slice targets选择selected bodies---切顶部,如图2---右击slice---generate---点击new plane---type选择from point and normal—point 和normal选择如图3,右击plane---generate---点击slice---base plane选择创建的平面---slice target选择selected bodies---选择如下body—右击slice ---generate(这些操作都是为了单独将焊球部分与其余部分分割开来)---依次对几何进行命名----关闭DM----在workbench中双击model进行网格设置和边界条件设置
4、材料赋予以及网格划分
给这些几何赋予材料:
点击geometry展开---点击modeling—material下assignment处选择molding(第一步就建立的材料,不知道为啥我的什么都没有(我重启解决了))----die赋予silicon这个材料----solder赋予材料SAC305---点击connections---contacts下方任意一个就会显示她的contact bodies和Target bodies(如果没有显示,可以按一下F7)----需要检查各种接触是否有问题(这一步是一定要做的;感觉就是看选中的部分和右边显示的部分的数量是否对的上对不上,bonded表示完全接触)
画网格:
全局网格:
点击mesh---sizing展开----transition(过渡)中选择slow---span angle center改为(Fine)---右击mesh—show---sweepable bodies(查看哪些body可以画成扫略网格,观察发现所有的bodies都可以画成扫略网格)---右击mesh---method—切换到选择体---catr+A----geometry中点击apply---method中选择multizone---右击mesh---insert sizing---选择四个边(要按住CTRL)----apply
局部网格:
在type中选择Number of Division----下方number of divisions数字输入5---右击这个Edge sizing---rename为H_substrate(表示对substrate做的)--选择substrate底面(希望substrate底面和顶面通过sweep扫略过去,形成一样的网格)----右击Mesh----insert---sizing---在element size中输入500um(0.5mm)---右击face sizing----rename为L_substrate---切换到体---选择substrate—hide body
对molding进行网格设置:
右击mesh---insert---sizing---每一个molding都选择一条边----如图1----type选择Element size---在下方的Element size处选择200um(0.2mm)----右击Edge sizing为H_molding----选中三个顶面如图2---右击mesh---insert—sizing---Element size处设置为0.5mm(500um)---右击Face sizing----rename---修改为L_molding---选中这三个molding---hide body
对silicon进行设置:
选中如图3所示四个边,右击mesh---insert—sizing---设置Element size为0.15毫米----右击Face sizing—rename ---H_Die---右击mesh---insert---sizing-----选择Die上表面(如图4)---geometry中点击apply----在Element size处输入0.3mm----命名face sizing为L_Die---隐藏Die(选择Die---右击hide body)
设置underfill网格尺寸:
切换到体选择---选择underfill---右击mesh---insert—sizing—右击body sizing---rename—改为underfill---在下方Element Size 处设置大小为0.08mm---采用体选择选择underfill—hide body
设置solder网格:
右击mesh---insert—sizing—全选solders---geometry处点击apply---Element size处设置为0.04mm(高度方向的1/10)---右击body sizing---rename---改名为solder
5、求解设置
点击static structural---在environment Temperature温度为25℃--右击static structural---insert--thermal condition—CTRL+A全选所有体—Apply---在Magnitude处输入70℃(模拟温度从25℃变到70℃)---右击static structural---insert ---displacement---如果是取得这种1/4模型,需要设置对称面位移为0---选择图1所示面(主要是为了设置这些面上的材料的位移为0)---z component处设置为0--右击static structural---insert ---displacement------x component处设置为0--右击static structural---insert ---displacement------选择图三所示点---y component为0----右击static structural---solve
My computer下方勾选distributed---然后在下方的cores中输入核心数可以多核心计算
6、后处理分析
求解之后焊球的应变为0.0038567um/pin
7、温度循环条件加载
稳态问题不需要设置密度和比热、但是瞬态问题必须设置密度和比热。本案例只学习温度循环条件的加载,材料设置操作不做具体详解。
该文章中的温度循环依据JEDEC标准,初 始温度是25℃,温度循环区间是-55~125℃,一个循环周期是56min,总共是5个周 期。升温和降温的速率都是 10℃/min,在到达高温和低温状态后各保持 10min,温 度循环加载曲线如图:
具体操作如下:
打开large deflection,在analsis setting中的step controls中number of steps设置为5,current step number 设置为5,step end time设置为16800.initial time step设置为600s,minimum time step 设置为600s,maximum time step设置为600s,按照等差递减数列依次更改current step number,即为4,3,2,1。同理,对应的step end time分别为13440、10080、6720、3360。
右击transient,insert thermal condition,按照下列方式依次在tabulat data种输入数据:
0 | 25 |
600 | 125 |
1200 | 125 |
1800 | 25 |
2280 | -55 |
2880 | -55 |
3360 | 25 |
3960 | 125 |
4560 | 125 |
5160 | 25 |
5640 | -55 |
6240 | -55 |
6720 | 25 |
7320 | 125 |
7920 | 125 |
8520 | 25 |
9000 | -55 |
9600 | -55 |
10080 | 25 |
10680 | 125 |
11280 | 125 |
11880 | 25 |
12360 | -55 |
12960 | -55 |
13440 | 25 |
14040 | 125 |
14640 | 125 |
15240 | 25 |
15720 | -55 |
16320 | -55 |
16800 | 25 |
至此,温度循环条件加载完成。此外也可以点击thermal condition,然后在下方的magnitude种选择import--add--browse方式导入温度加载。