CAE技術(shù)在塑料封裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

PAGEPAGE78CAE技術(shù)在塑料封裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用0.引言在IC封裝過程中，導(dǎo)線架系列的，如產(chǎn)品TSOP、LQFP、TQFP等等，其封裝生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展至今已相當(dāng)成熟，并已廣泛運(yùn)用在半導(dǎo)體封裝產(chǎn)品上。然而，現(xiàn)今仍有相當(dāng)多的問題尚待進(jìn)一步的解決，如封裝產(chǎn)品外觀的翹曲變形(warpage)、充填過程中的導(dǎo)線架偏移(paddleshift)與金線偏移(wiresweep)等等。在封裝過程中，由于環(huán)氧樹脂(EpoxyMoldingCompound)具粘滯性，故在充填流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生粘滯效應(yīng)，使得金線產(chǎn)生偏移現(xiàn)象，而相似的粘滯效應(yīng)亦會(huì)對(duì)導(dǎo)線架腳產(chǎn)生偏移現(xiàn)象，甚至使得臨近的兩支導(dǎo)線架腳產(chǎn)生碰觸，因此，整體封裝產(chǎn)品因這些制造缺陷，其不良率會(huì)提升，可靠度下降。由于電腦輔助工程分析(CAE)技術(shù)與近幾年來有這很大的進(jìn)步，運(yùn)用CAE技術(shù)分析金線偏移現(xiàn)象可說相當(dāng)便利，并能與生產(chǎn)前提早預(yù)測(cè)出因流動(dòng)所產(chǎn)生的缺陷加以避免。7.1.2CAE系統(tǒng)是包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)、仿真和制造在內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的綜合系統(tǒng)。通常，為了在計(jì)算機(jī)中分析和模擬一個(gè)產(chǎn)品，首先必須建立產(chǎn)品模型，有了產(chǎn)品模型以后，我們可以運(yùn)用CAE的分析方法(有限元法或模態(tài)分析法)，來分析產(chǎn)品在工作環(huán)境中的受力變形、振動(dòng)及運(yùn)動(dòng)的情況，以便評(píng)定產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)要求[21]。CAE系統(tǒng)可以采用參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行方案優(yōu)選，使方案設(shè)計(jì)考慮的因素更為精細(xì)、全面和合理。CAE系統(tǒng)也可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，并可畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫，以便檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，校核運(yùn)動(dòng)件的干涉情況，還可計(jì)算出各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和受力的大小。CAE系統(tǒng)還可以對(duì)金屬切削加工、鑄造、焊接、成型、試驗(yàn)、裝配和物料流動(dòng)等各種工藝過程進(jìn)行仿真，除了對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)之外，還可以深入研究這些工藝過程的機(jī)理和規(guī)律。CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展也相當(dāng)快，總之，當(dāng)前CAE技術(shù)的功能主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的建模、工程分析、模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。本文主要研究Moldex3D軟件在對(duì)Sop型IC封裝的CAE分析中的應(yīng)用過程，7.2Moldex在封裝中的作用及地位7.2.1Moldex是MoldExpert（模具專家）的縮寫，是科盛科技公司研發(fā)的三維實(shí)體模流分析軟件，它不但能將Skin．Surface分析法與Mid—plane分析法沒有考慮的實(shí)際狀況列入分析，更擁有計(jì)算快速準(zhǔn)確的能力，并且搭配超人性化的操作界面與最新引入的三維立體繪圖技術(shù)，真實(shí)呈現(xiàn)所有分析結(jié)果，讓用戶學(xué)習(xí)更容易，操作更方便。在分析模型方面，Moldex3D采用三維實(shí)體元素網(wǎng)格，依塑料件實(shí)體來建造，完全符合真實(shí)情況，并且可完全自動(dòng)化生成網(wǎng)格，輕松建模。[2]除此以外，Moldex3D還有以下特點(diǎn)：（1）先進(jìn)數(shù)值分析技術(shù)；（2）人性化操作界面；（3）項(xiàng)目管理；（4）網(wǎng)格檔案接受度高；（5）材料與加工選擇方便；（6）高分辨率3D立體圖形顯示。圖7.1Moldex3D窗口界面科盛科技研發(fā)與技術(shù)團(tuán)隊(duì)源自于臺(tái)灣清華大學(xué)CAE研究室（1983年成立），正式成立于1995年。科盛科技以提供業(yè)界專業(yè)的模具設(shè)計(jì)優(yōu)化解決方案為己任，陸續(xù)開發(fā)出Moldex與Moldex3D系列軟件，目前Moldex3D產(chǎn)品營(yíng)銷全球各地?？剖⒖萍脊狙邪l(fā)的三維實(shí)體模流分析軟件，還在國(guó)內(nèi)外獲得很多獎(jiǎng)項(xiàng)，如：美國(guó)塑料工業(yè)協(xié)會(huì)（ANTEC）技術(shù)研討會(huì)最佳論文獎(jiǎng)2篇、華碩年度績(jī)優(yōu)供應(yīng)商獎(jiǎng)、神達(dá)年度最佳軟體供應(yīng)商獎(jiǎng)、龍生工業(yè)卓越研發(fā)伙伴獎(jiǎng)、啟基科技優(yōu)良軟體供應(yīng)商獎(jiǎng)、神達(dá)年度最佳軟體供應(yīng)商獎(jiǎng)等。為了提供客戶全方位的解決方案，科盛科技與全球CAE/CAD相關(guān)技術(shù)開發(fā)者合作，并代理各項(xiàng)產(chǎn)品：Rhino、Flamingo、Paulson、MeltFlipper、Flow2000、B-SIM、T-SIM等。7.2一般傳統(tǒng)2.5D模流分析技術(shù)為“Mid—PlaneMesh”，例如Moldflow軟件，其原理為將3D幾何模型簡(jiǎn)化成2.5D中間面幾何模型，利用所建立的中間面進(jìn)行模流分析，即以平面流動(dòng)來仿真三維實(shí)體流動(dòng)。此分析技術(shù)發(fā)展至今已相當(dāng)成熟穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)為分析速度快，且對(duì)于大部份塑料件流動(dòng)分析皆可得出準(zhǔn)確的結(jié)果，特別是塑料薄件。雖然此分析方法相當(dāng)受到肯定，但由于分析理論限制，仍存在許多缺點(diǎn)，影響分析精確度與效能：幾何模型中間面不容易被定義，造成建模困難，約80％工作時(shí)間花費(fèi)在建立2．5D幾何模型，無法完全仿真三維實(shí)體流動(dòng)效應(yīng)，如黏滯拖曳效應(yīng)、慣性效應(yīng)、非恒溫流體、非牛頓流體、側(cè)壁效應(yīng)和噴泉效應(yīng)等，尤其是塑料厚件三維流動(dòng)效應(yīng)特別明顯，所以利用傳統(tǒng)分析技術(shù)無法得到精確的結(jié)果。但是，科盛科技公司領(lǐng)先推出完整的Moldex3D3D實(shí)體分析模塊，就可以克服這一點(diǎn)。圖7.2是用Moldex3D軟件仿真分析的結(jié)果，而圖7.3是實(shí)際試模的照片，對(duì)比兩張照片可見流動(dòng)情況基本一致，說明Moldex3D軟件可以在最大程度上保證與實(shí)際充模情況一致。而且，操作簡(jiǎn)便可以自動(dòng)生成網(wǎng)格，大大節(jié)省了建立幾何模型的時(shí)間，在優(yōu)化分析結(jié)果的同時(shí)，還能提高效率。圖7.2流動(dòng)分析結(jié)果圖7.3實(shí)際試模照片7.2.3預(yù)測(cè)流動(dòng)波前推進(jìn)情況以檢視模具充填過程預(yù)測(cè)三維慣性現(xiàn)象預(yù)測(cè)成型過程中轉(zhuǎn)換變異預(yù)測(cè)縫合線位置以將之消除或最小化預(yù)測(cè)包封檢驗(yàn)短射問題優(yōu)化澆口設(shè)計(jì)以將縫合線縮至最小，平衡充填優(yōu)化充填階段的加工條件，如：射出時(shí)間、固化時(shí)間…等針對(duì)多穴模型或群組模型，進(jìn)行模擬充填預(yù)測(cè)金線密度對(duì)流動(dòng)波前之影響預(yù)測(cè)充填結(jié)束流動(dòng)行為所造成的金線偏移現(xiàn)象預(yù)測(cè)充填結(jié)束流動(dòng)行為所造成的導(dǎo)線架偏移現(xiàn)象7.3Moldex3D應(yīng)用實(shí)例7.3.1三維建模根據(jù)SSOP20L型電子封裝模型的結(jié)構(gòu)圖紙，使用UG軟件進(jìn)行三維構(gòu)建：圖7.4SSOP20L實(shí)體模型由此定義模型尺寸分別為長(zhǎng)7mm、寬5mm、厚度為1.2mm，其導(dǎo)線框引腳個(gè)數(shù)為20，澆口位置位于模穴右上角，大小為0.46mm×0.2mm(高度可變)，芯片尺寸為長(zhǎng)3.8mm×3.5mm高為0.5mm。圖7.5模盒澆口尺寸根據(jù)圖紙與模型實(shí)體，使用UG軟件進(jìn)行三維建模，由于在之后使用Moldex3D分析時(shí)，可以自動(dòng)判斷邊界平衡條件，所以在建模時(shí)僅需構(gòu)建1/2或1/4模型，將主流道，分流道，澆口，充填區(qū)域，引線筐等特征表達(dá)清楚即可。建模時(shí)注意各不同材料部分區(qū)別如封裝部分、引線框部分、芯片部分等，使用圖層來區(qū)分。圖7.61/2模型三維造型圖圖7.7模穴輪廓圖7.3.2而后將三維造型導(dǎo)出（IGS格式）至Rhinoceros中進(jìn)行網(wǎng)格處理，將其建為實(shí)體網(wǎng)格。步驟簡(jiǎn)要分為：一，導(dǎo)入IGS檔，整理圖層，刪除多余圖層，多余線條。由于在Moldex3D分析時(shí)，分析1/4模型即可，所以將其簡(jiǎn)要修改為1/4模型。圖7.8新導(dǎo)入IGS檔圖7.9修改后1/4造型二，利用Rhinoceros軟件中外掛的Moldex3D-Mesh進(jìn)行網(wǎng)格制作，網(wǎng)格的單位元素分別有四種分別為Tetra、Pyramid、Prism、Hexa，在繪制此次模型的網(wǎng)格中使用的是Tetra、Prism、Hexa三個(gè)元素得到SSOP20L實(shí)體網(wǎng)格。圖7.10網(wǎng)格元素圖7.111/4模型實(shí)體網(wǎng)格三，設(shè)置各部分網(wǎng)格的屬性，并設(shè)置澆口位置。圖7.12網(wǎng)格屬性設(shè)置圖7.13澆口設(shè)置四，導(dǎo)出建好的實(shí)體網(wǎng)格為.mfe文檔。7.3.3圖7.14材料選定如圖所示，充填材料選用環(huán)氧樹脂Epoxy_EMC-1，導(dǎo)線框選用Copper芯片選用Chip，金線選用Gold。成型條件參數(shù)設(shè)定：環(huán)氧樹脂的流動(dòng)性好，硬化收縮小，成型收縮率為0.5%，但熱剛性差，不易脫模，其成型溫度一般在150到170℃由此：模具溫度：160℃塑料溫度：100℃熔融塑料溫度：175℃固化時(shí)間（或說為保壓時(shí)間）：一般為10s注射壓力：10MP成型時(shí)間（與充模時(shí)間相近）：對(duì)于常見工件一般為3～5S，在此定為3S。（后期僅局部進(jìn)行流動(dòng)分析以得到金線偏移結(jié)果時(shí)，鑒于模型很小可以取為1s）7.3.4.模擬主要分為兩大部分，第一部分在Moldex3D中進(jìn)行整體流動(dòng)分析，并在局部流動(dòng)中獲得金線的數(shù)值；第二部分則是利用ANSYS模擬金線受力情形而得到偏移量。7.3.4在Moldex3D中新建項(xiàng)目，設(shè)置各參數(shù)：導(dǎo)入網(wǎng)格，選定材料，設(shè)定成型條件，選用計(jì)算工具等。完成操作后即可分析：充填結(jié)果，硬化結(jié)果，翹曲變形，金線偏移等結(jié)果。這里著重分析充填結(jié)果，金線偏移的情況。充填結(jié)果分析如下：圖7.15流動(dòng)波前時(shí)間圖7.16充填壓力由此看出，距離料餅最遠(yuǎn)的樣品，充填壓力很低，預(yù)計(jì)無法填充完成。圖7.17型腔欠注這是我們所不想看到的結(jié)果，所以在參數(shù)設(shè)置中應(yīng)增大注塑壓力，以保證型腔填滿，但是如果僅僅使所有型腔都充滿而過分增大壓力會(huì)使得距離料餅最近的樣品中的金線承受過大的壓力而斷裂，而且由于各樣品與澆口距離不同所以金線偏移的結(jié)果也不同。為了研究注入各封裝型腔的澆口處，澆口大小和入射角度對(duì)金線偏移的影響，所以只取其中一塊進(jìn)行充填分析。圖7.17型腔欠注7.3.4首先要選取整個(gè)模型中的典型部分進(jìn)行局部流動(dòng)分析，然后就此典型部分進(jìn)行詳細(xì)分析，最后得到金線偏移在不同參數(shù)下受到的不同影響。一、前處理步驟如下：1.選取典型部分重新建模，并用Rhinoceros繪制網(wǎng)格（如圖），并定義金線坐標(biāo)及輪廓（如圖），再一并導(dǎo)