半導體設計/制造
返回首頁

先進封裝和電路板的可靠性挑戰

2020-04-09 來源:EEWORLD

翻譯自——Semiwiki

 

今天的市場需求越來越苛刻

 

復雜的電子設備和(輔助)系統在飛機、火車、卡車、乘用車以及建筑基礎設施、制造設備、醫療系統等重要應用領域為我們服務。高可靠性(產品在期望的生命周期內滿足客戶環境中所有需求的能力)正變得越來越重要。大數據和人工智能正使人類更加依賴電子系統,并將使可靠性不足變得更加致命。在最近的DesignCon 2020上,我有機會了解了ANSYS是如何讓工程師設計出高可靠性的產品的。

 

ANSYS成長史

 

位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡附近的ANSYS公司成立于1970年,目前在有限元分析、計算流體動力學、電子、半導體、嵌入式軟件和設計優化等領域擁有約4000名專家。ANSYS是著名的合作伙伴非常苛刻的客戶在空間和飛機應用。之后通過收購其他EDA供應商,ANSYS迅速發展。他們在2008年收購了Ansoft Corp.,在2011年并購Apache Design Solutions。隨后又在2019年ANSYS收購了業界唯一自動化設計可靠性分析軟件Sherlock開發商 DfR Solutions。ANSYS的綜合多物理場解決方案與Sherlock的精確可靠性分析相結合,將提供一個完整的設計師級套件,幫助客戶在設計周期的早期快速便捷分析電子故障,從而可在開發過程中為用戶節省時間和資金。獲得DfR電子可靠性解決方案,強化了他們對半導體封裝、PCBA模擬,以及能夠表征和生成庫以及分析和測試各種電子部件的能力。

 

FEA工具價值和精確的輸入(庫)

 

使用測試故障修復方法分析原型和/或預生產單元的可靠性是昂貴且耗時的,并且在產品生命周期的最后階段結果才會提供。ANSYS Sherlock有限元分析(FEA)使工程師能夠在設計周期的開始輕松評估硬件設計的可靠性。這也使設計師能夠在早期和跨大范圍的條件下權衡不同的架構、幾何形狀和材料,以獲得最佳結果。

 

ANSYS在DesignCon 2020上進行可靠性展示

 

在一間擁擠的會議室里,ANSYS的首席應用工程師Kelly Morgan展示了三個失效機制的案例,在這些例子中,Sherlock可以為我們帶來巨大價值。Sherlock和ANSYS利用物理失效原理預測硬件可靠性:1) Low-k(低介電常數)介質硅晶圓,2)焊點疲勞,3)微孔分離。除此之外還有其他信息要比下面提供的要多得多。

 

1)      Low-k


低介電常數(k)的介電材料降低寄生電容,提高電路性能,降低功耗。然而,在回流或熱循環過程中,由于熱膨脹系數(CTE)的差異所產生的熱機械力,其較低的機械強度有時會導致電介質出現裂紋。聲學檢查可以發現這些裂紋。如果低k材料在產品推出的最后階段被發現有裂紋,就要重新設計周期。相比之下,Sherlock和ANSYS允許IC設計師在項目開始時預測此類故障,并立即采取糾正措施,防止上述問題發生。

 

CTE differences

銅柱和模具之間的熱膨脹系數差異會導致壓應力和拉應力,并影響相鄰晶體管的性能和可靠性

 

2) 焊點熱疲勞失效

 

許多集成電路傳統上使用不含鉛的焊點凸點作為與其它管芯、封裝、甚至印刷電路板(PCB)的連接。相鄰層中不同的熱膨脹系數和溫度會使材料產生不同的膨脹和收縮。這些熱機械力,振動、機械沖擊等,會對焊點造成應變,并可能導致焊點和互連表面的裂紋。最近,銅柱變得流行起來,因為它們的焊點間距更小。然而,這些相互連接的剛性更強,根據施加的應變,可能會更快地失效。Sherlock和ANSYS Mechanical的多物理功能允許用戶輕松準確地預測這種互連的可靠性,如需要,還可以在設計周期的早期驅動進行更改。

 

Cross section of a solder joint and how different CTEs cause materials to shrink or expand

焊點的橫截面,以及不同的熱膨脹系數導致材料收縮或膨脹

 

3) 微通孔分離

 

隨著電子器件中的間距越來越小,微通孔技術在PCB中的應用呈爆炸式增長。微孔堆疊多達三或四層高已經變得非常普遍。然而,如果這些設計沒有使用正確的材料和幾何形狀,微孔可能會經歷意想不到的開裂和分層。

 

熱-機械應力、水分、振動和其他應力會導致微孔的分離,以及與電鍍通孔(PTH)頂部或底部的銅跡線的分層。Sherlock分析這些問題區域,會考慮回流和/或操作過程中的超應力條件,并可以預測疲勞何時會導致過孔或貫穿孔、通孔、路由層和凸點下金屬層(UBM)接點之間的互連故障。

 

Likely reliability risks in electronic products during manufacturing and operation

電子產品在制造和操作過程中可能存在的可靠性風險

 

Sherlock設計流程整合

 

即使是像Sherlock這樣的最佳點工具,也需要集成到一個用戶友好的、高生產率的設計流中,以便在客戶的設計環境中提供其全部價值。只有使用上下游工具進行流暢的數據交換,工程師才能快速高效地利用Sherlock的多種能力。這種設計流集成最小化了腳本編制、數據格式轉換以及容易出錯和耗時的手工干預。Sherlock與ANSYS的Icepak和ANSYS Mechanical相互作用,將這些工具組合成一個高生產率和非常可靠的設計流程,以達到越來越多的應用需要的“零缺陷”的目標。

 

延伸閱讀

 

Ansys Icepak

 

ANSYS Icepak

 

Ansys Icepak 提供強大的電子冷卻解決方案,利用業界領先的 Ansys Fluent 計算流體動力學 (CFD) 求解器對集成電路 (IC)、封裝、印刷電路板 (PCB) 和電子組件進行熱力和流體流動分析。Ansys Icepak CFD 求解器使用 Ansys Electronics Desktop (AEDT) 圖形用戶界面 (GUI)。這為工程師們提供了一個以 CAD 為中心的解決方案,使他們可以利用易用的功能區界面來管理與 Ansys HFSS、Ansys Maxwell 和 Ansys Q3D Extractor 相同的統一框架內的熱力問題。在此工作環境中的電氣和機械工程師可享受完全自動化的設計流程,能夠將 HFSS、Maxwell 和 Q3D Extractor 無縫耦合到 Icepak 以進行穩態或瞬態熱力分析。

 

工程師可以依靠 Icepak 為從單個 IC 到封裝和 PCB 板再到計算機外殼和整個數據中心的各種電子應用提供集成電子冷卻解決方案。Icepak 求解器執行傳導、對流和輻射共軛傳熱分析。它具有許多先進的功能,能夠模擬層流和湍流以及多類型分析,包括輻射和對流。Icepak 提供了一個包含風扇、散熱器和材料的巨型庫,可為日常電子冷卻問題提供解決方案。

 

Ansys與5G的對話

 

5G 連接是即將到來的一場技術革命。這個普適、超快的計算網絡將連接數十億數據驅動的設備。這將推動各行業的經濟擴張,催生新的產品和服務,改變我們一貫所熟知的生活方式。

 

然而,在 5G 完全實現承諾并達到其服務質量 (QoS) 指標之前,無線系統設計師和工程師必須克服不小的挑戰。Ansys 5G 仿真解決方案讓這些相關人員能夠讓設備、網絡和數據中心設計的復雜性得以簡化。

 

Ansys 5G 仿真解決方案提供電磁、半導體、電子冷卻和結構分析工具,以精確模擬 5G 無線電和相關技術。該多解決方案平臺利用可以在整個企業部署的高性能計算,讓設計師和工程專家之間的合作更加高效。

 

其中,高級相控陣列天線是實現5G系統容量與性能的關鍵。為了優化天線增益,確保目標覆蓋率,大規模MIMO要求對相控陣列天線進行準確的設計。這類大型相控陣列系統能同時產生多個點波束,每個點波束都匯聚在單個UE上或指向較小的地域范圍。為了跟蹤在覆蓋區域內移動的用戶,點波束需要對波束動態進行定位。設計出能夠符合這些要求的相控陣列天線極富挑戰性。具有更多單個單元的較大型陣列使得更小的波束能指向更多UE。同時,較大型的陣列設計會增大射頻信號分配與安裝平臺的尺寸與復雜性,并增加了對用于通道接收器、數字化器和信號處理的更高電子密度的需求。5G天線陣列設計的性能考量因素眾多,其中包括波束控制、零控(降低環境中不需要的信號源的影響)、互耦和電磁干擾問題等。

 

 

ANSYS HFSS中的相控陣列設計流程。ANSYS HFSS是一種3D高頻電磁(EM)工具,可用于設計和仿真眾多的高頻(HF)電子產品,如天線、天線陣列、射頻和微波組件、諧振器、濾波器和其它HF電子組件等。HFSS中的相控陣列設計流程從單個單元原型開始,通過實驗設計(DoE)方法來優化天線設計參數。然后,由單元合成全陣列,以便在ANSYS HFSS中對全陣列性能進行仿真優化,接著使用混合ANSYS HFSS SBR+射線跟蹤求解器,為已安裝的天線及其與環境的相互作用進行建模仿真。

 


進入半導體設計/制造查看更多內容>>
相關視頻
  • 嵌入式系統高級C語言編程(東南大學凌明)

  • 機器學習從零到一

  • 直播回放: 與英飛凌一起探索智能門鎖背后的黑科技

  • 計算機視覺與深度學習

  • 跟我學myRIO

  • VLSI設計基礎(數字集成電路設計基礎)(東南大學)

    相關電子頭條文章
萝卜大香蕉