ANSYS多物理場仿真分析在SIP系統(tǒng)級封裝中的應(yīng)用.pptx

ANSYS多物理場仿真分析,在SIP系統(tǒng)級封裝中的應(yīng)用,逆風傲雪 QQ:276012341,一、SIP發(fā)展及其散熱問題,SOC是以IC前端制造技術(shù)為基礎(chǔ)，而SIP則是以IC后段封裝制造技術(shù)為基礎(chǔ)。在本質(zhì)上，系統(tǒng)級封裝不僅是單芯片或多芯片的封裝，同時可含有電容、電阻等無源器件，電子連接器、傳感器、天線、電池等各種元件，它強調(diào)功能的完整性，具有更高的應(yīng)用導(dǎo)向性。,圖1 SIP概念圖,目前，SIP的型式可說是千百萬化，就芯片的排列方式而言，SIP可能是2D平面或是利用3D堆疊,如圖2(a)；或是多芯片封裝（Multi-chip Package；MCP）以有效縮減封裝面積，如圖2(b)；或是前述兩者的各種組合,如圖2(c)。,圖2 （a）3D堆疊封裝型態(tài)結(jié)構(gòu)的SIP，（b）多芯片封裝結(jié)構(gòu)的SIP（Amkor），（c）組合式封裝結(jié)構(gòu)的SIP（Amkor）,(b),(c),SIP結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的散熱問題大致有以下幾點： 芯片堆疊后發(fā)熱量將增加，但散熱面積并未相對增 加，因此發(fā)熱密度大幅提高； 多芯片封裝雖然仍保有原散熱面積，但由于熱源的相互接近，熱耦合增強，從而造成更為嚴重的熱問題； 內(nèi)埋置基板中的無源器件也有一定的發(fā)熱問題，由于有機基板或陶瓷基板散熱不良，也會產(chǎn)生嚴重的熱問題； 由于封裝體積縮小，組裝密度增加，使得散熱不易解決，因此需要更高效率的散熱設(shè)計。,對于SIP熱傳而言，如果使用有機材質(zhì)的基板，則其熱傳導(dǎo)性很低，因此熱阻很大，基板的散熱設(shè)計就顯得相對重要，可通過增加銅箔層或是散熱通孔來增強效果 。 對于SIP的熱傳問題，目前的相關(guān)研究并不多，例如圖6是Amkor公司開發(fā)的利用兩個芯片SIP封裝技術(shù)的DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)。在散熱設(shè)計上利用陷入陣列（Land Grid Array；LGA）的封裝結(jié)構(gòu)，在熱通孔里鍍上銅（Cu）以加強基底的熱傳散熱效果，進而得到較高的熱性能。,圖2 Amkor公司SIP封裝技術(shù)的DC-DC整流器的結(jié)構(gòu)剖面圖,圖2（a）、（b）所示的分別是Toshiba公司同樣針對并列芯片和堆疊兩芯片的SIP結(jié)構(gòu)所做的熱分析結(jié)果。由圖中看出，其在自然對流空氣中，并列芯片的SIP溫度分布比堆疊的SIP有較顯著的均勻溫度分布；而堆疊的SIP其高溫溫度值較集中在芯片的附近，越遠離芯片處則溫度較低。然而就芯片周圍的溫度分布強度來看，堆疊的SIP所造成的高溫強度相對強很多。,(a) (b),圖3 （a）并列芯片SIP的熱流模型； （b）堆疊SIP的熱流模型,一些存儲器封裝目前也開始朝芯片堆疊或是封裝堆疊的形式發(fā)展，并可有效的整合不同功能的芯片于同一封裝體中，從而大幅度減小了電子組裝的尺寸與體積，更能達到SIP的功能。此外，若由散熱錫球、散熱通孔及外露銅箔層的綜合散熱設(shè)計，則可使3D堆疊構(gòu)裝的散熱效能大幅度改善。圖4為其結(jié)構(gòu)示意圖。,圖4 以錫球形態(tài)接合的3D堆疊封裝,3D堆疊封裝結(jié)構(gòu)的熱分析如圖5所示，分別為單層、雙層堆疊及三層堆疊的芯片構(gòu)裝與自然對流狀態(tài)下的熱流模擬，其發(fā)熱功率設(shè)定為1W/Package。,(a) (b) (c),圖5 3D堆疊構(gòu)裝在自然對流狀態(tài)下，發(fā)熱功率1W/Package的溫度場分布，（a）單層芯片；（b）堆疊兩層芯片；（c）堆疊三層芯片,散熱解決策略,從芯片到外殼的封裝是散熱設(shè)計中的最重要的部分，但是由于受限于封裝結(jié)構(gòu)及尺寸，因此目前的散熱設(shè)計的重點是如何將芯片的發(fā)熱均勻化，而高傳導(dǎo)性的均熱片（Heat Spreader）或是熱管等器件就得到很重要的應(yīng)用 。 在封裝外殼到環(huán)境的部分，則是如何有效的將熱帶走。傳統(tǒng)氣冷的散熱片加風扇的設(shè)計在熱密度有限的狀況下已逐漸發(fā)展到極限，目前除了整合熱管或是利用高傳導(dǎo)材料以增加氣冷效率之外，許多更高效率的散熱方式也開始研發(fā)，例如單相的液冷或噴流冷卻等 。 目前在芯片上也設(shè)計了溫度傳感器以監(jiān)控溫度變化，對于風扇風速也可分段控制，以達成最佳化的熱管理。,ANSYS熱分析實例,機箱內(nèi)溫升分布情況,二、SIP中的電磁兼容問題,ANSYS是電磁仿真軟件行業(yè)的引領(lǐng)者，供應(yīng)從電路級到系統(tǒng)級的仿真工具。工程師可依靠我們的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品和電磁場求解器來設(shè)計通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、集成電路（ICs）、印制板（PCBs）及機電系統(tǒng)。 ANSYS信號完整性設(shè)計軟件是設(shè)計高速串行通道、并行總線及現(xiàn)代高速電子設(shè)備中完整電力分配系統(tǒng)的理想工具。 我們的射頻、微波和天線設(shè)計軟件可以幫助工程師設(shè)計、仿真和驗證通信系統(tǒng)、移動設(shè)備、計算機、無線電和雷達中的高頻組件和天線。 機電、電力電子和機電一體化工具是完成汽車、航空航天和工業(yè)自動化市場中組件和系統(tǒng)設(shè)計的行業(yè)標準。,現(xiàn)代高密度射頻微波電路既包含了非線性有源器件結(jié)合，也有結(jié)構(gòu)緊湊的無源和互連部件，在包含了嵌入式無源部件和射頻封裝的高密度電路設(shè)計中，由于電磁場耦合導(dǎo)致的寄生效應(yīng)，電路往往不能達到預(yù)想的工作特性。如何處理復(fù)雜的三維電磁寄生效應(yīng)，已經(jīng)成為設(shè)計師和仿真工具關(guān)注的重點問題,圖7 X波段平衡放大器仿真：兩個QFN封裝的放大器安裝在FR-4多層板上，包含了健合線和通孔電磁效應(yīng),電磁場仿真得到的結(jié)果可以自動傳遞到ANSYS多物理場仿真工具中計算器件的熱性能。GaAS放大器封裝的多物理場仿真，HFSS用于電磁場仿真（上），ANSYS Mechanical 用于熱仿真（下）。,ANSYS提供業(yè)界獨有的集成化芯片-封裝-系統(tǒng)仿真平臺，利用高保真的多物理仿真改善工程設(shè)計的精度，將多個工具緊密地集成在一個統(tǒng)一的仿真平臺下，顯著提高工程效率。,圖9 芯片-封裝-系統(tǒng)整體信號完整性和電源完整性仿真,圖10 HDMI串行通道信號完整性分析,隨著數(shù)據(jù)帶寬的提高，SERDES的數(shù)據(jù)率也不斷攀升，封裝出線結(jié)構(gòu)、背鉆要求、層布局等信號完整性問題也更加突出，需要進行更多的仿真分析以便順利達到相關(guān)標準。,硅插入器、通過硅過孔連接的堆疊芯片（2.5D和3D集成電路）等新技術(shù)的使用越來越廣泛，使得芯片的直流功耗管理和散熱設(shè)計和電遷移可靠性分析預(yù)測成為制約產(chǎn)品設(shè)計周期的關(guān)鍵因素，ANSYS仿真解決方案能夠覆蓋從芯片到封裝和PCB直到系統(tǒng)設(shè)計的全過程，精確預(yù)測電源完整性、熱完整性、電遷移和應(yīng)力，仿真電源平面的阻抗特性并進行優(yōu)化設(shè)計，在減少電容數(shù)量的同時滿足供電阻抗要求。,圖11 ANSYS SIwave分析PCB的電源完整性,電磁兼容/電磁干擾,圖12 移動設(shè)備的輻射EMI分析,信號完整性和電源完整性仿真能夠找出在封裝、PCB、連接器和其他部件中的輻射問題，通過精確的仿真判斷產(chǎn)品是否能夠通過相關(guān)標準，得到電磁場分布和平面諧振特性,ANSYS是電磁仿真軟件行業(yè)的引領(lǐng)者，供應(yīng)從電路級到系統(tǒng)級的仿真工具。工程師可依靠我們的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品和電磁場求解器來設(shè)計通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、集成電路（ICs）、印制板（PCBs）及機電系統(tǒng)。 ANSYS信號完整性設(shè)計軟件是設(shè)計高速串行通道、并行總線及現(xiàn)代高速電子設(shè)備中完整電力分配系統(tǒng)的理想工具。 ANSYS的射頻、微波和天線設(shè)計軟件可以幫助工程師設(shè)計、仿真和驗證通信系統(tǒng)、移動設(shè)備、計算機、無線電和雷達中的高頻組件和天線。 機電、電力電子和機電一體化工具是完成汽車、航空航天和工業(yè)自動化市場中組件和系統(tǒng)設(shè)計的行業(yè)標準。,ANSYS處理電磁兼容問題,三、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析在SIP的應(yīng)用,ANSYS結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件套件被世界各地組織機構(gòu)廣泛信任，用來輕松快速地求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題。 ANSYS結(jié)構(gòu)力學(xué)解決方案有能力模擬一個工業(yè)產(chǎn)品的每一個結(jié)構(gòu)力學(xué)方向，包括僅提供應(yīng)力和變形的線性靜力分析、確定振動特性的模態(tài)分析、包含動態(tài)效應(yīng)和復(fù)雜行為的高級瞬態(tài)非線性現(xiàn)象。,焊接產(chǎn)品失效的一個主要原因就是應(yīng)力疲勞，有時會造成重大的損失和傷害。當承受反復(fù)循環(huán)荷載時，大多數(shù)產(chǎn)品最終將破壞。應(yīng)力疲勞是由反復(fù)的交變載荷作用下引起的，隨著時間的推移，應(yīng)力重復(fù)變化，微觀組織變化并演變成裂紋，由此導(dǎo)致故障發(fā)生，產(chǎn)生疲勞破壞。任何產(chǎn)品或零件的破壞，即使不是災(zāi)難性的，也會導(dǎo)致巨額費用支出。使用仿真手段優(yōu)化產(chǎn)品的形狀、尺寸和材料，是最具成本效益的方法，并能夠獲得預(yù)期的產(chǎn)品壽命。,圖13 焊縫疲勞壽命云圖,圖16 管殼抗沖擊強度分析,圖15 板級系統(tǒng)在沖擊作用下的應(yīng)力云圖,ANSYS處理結(jié)構(gòu)力學(xué)問題,四、ANSYS在封裝中心的應(yīng)用,圖17 焊接爐腔體溫度分布及芯片溫升曲線,封裝形式對芯片散熱的影