濕氣與濕熱應(yīng)力分析

1、五、濕氣與濕熱應(yīng)力分析,張 云 marblezy@hust.edu.cn 周華民 hmzhou@hust.edu.cn,目錄,5.1 熱應(yīng)力分析5.2 濕氣分析理論5.3 微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng)5.4 分析案例5.5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),5.1 熱應(yīng)力分析,5.1.1 熱應(yīng)力分析方法5.1.2 Workbench 熱應(yīng)力分析,5.1.1 熱應(yīng)力分析方法,熱應(yīng)力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受熱或變冷時(shí)，由于熱脹冷縮產(chǎn)生變形。若變形

2、受到某些限制 — 如位移約束或相反的壓力 — 則在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力。產(chǎn)生熱應(yīng)力的另一個(gè)原因，是由于材料不同而形成的不均勻變形（如，不同的熱膨脹系數(shù)）。,由約束產(chǎn)生熱應(yīng)力,由不同材料產(chǎn)生熱應(yīng)力,5.1.1 熱應(yīng)力分析方法,在 ANSYS 中求解熱-應(yīng)力問(wèn)題有兩種方法。順序耦合傳統(tǒng)方法是使用兩種單元類型，將熱分析的結(jié)果作為結(jié)構(gòu)的溫度荷載。當(dāng)熱瞬態(tài)分析時(shí)間點(diǎn)很多，但結(jié)構(gòu)時(shí)間點(diǎn)很少時(shí)效率較高。很容易用輸入文件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。直接

3、耦合比較新的方法，用一種單元類型就能求解兩種物理場(chǎng)問(wèn)題。熱和結(jié)構(gòu)之間可實(shí)現(xiàn)真正的耦合。在某些分析中可能耗費(fèi)過(guò)多開銷。,5.1.1 熱應(yīng)力分析方法,順序耦合方法涉及兩種分析：,1.先作穩(wěn)態(tài)（或瞬態(tài)）熱分析。建立熱單元模型。施加熱荷載。求解并檢查結(jié)果。2.然后作靜力結(jié)構(gòu)分析。把單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元。定義包括熱膨脹系數(shù)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料特性。施加包括從熱分析得到的溫度在內(nèi)的結(jié)構(gòu)荷載。求解并檢查結(jié)果。,5.1.1 熱應(yīng)力

4、分析方法,直接耦合方法，通常只涉及用耦合單元的分析，單元必須包括熱、結(jié)構(gòu)的自由度。,1.首先用以下耦合單元之一建立模型并劃分網(wǎng)格。PLANE13 (平面實(shí)體單元)。SOLID5 (六面體單元)。SOLID98 (四面體單元)。在模型上施加結(jié)構(gòu)荷載、熱荷載及約束。求解并查看熱和結(jié)構(gòu)結(jié)果。,5.1.1 熱應(yīng)力分析方法,順序方法對(duì)非高度非線性耦合情況，順序方法更有效、靈活，因?yàn)樗梢元?dú)立執(zhí)行兩種分析。 在順序方法熱-應(yīng)力分析中

5、，例如，在非線性瞬態(tài)分析之后可以緊接著進(jìn)行線性靜力分析，然后可以把熱分析中任意荷載步或時(shí)間點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度作為應(yīng)力分析的荷載。,直接方法對(duì)耦合場(chǎng)是高度非線性情況，直接方法更好，并且該方法用耦合公式單一求解時(shí)是最好的。 直接耦合的例子，包括壓電分析，有流體流動(dòng)的共軛傳熱分析及電路電磁分析。,5.1.2 Workbench熱應(yīng)力分析,1. 穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析2. 將熱分析結(jié)果（溫度場(chǎng)）傳遞到結(jié)構(gòu)分析,5.2 濕氣分析理論,5.2.1 濕氣

6、擴(kuò)散理論5.2.2 濕氣膨脹應(yīng)力分析5.2.3 蒸汽壓力分析5.2.4 等效熱應(yīng)力分析,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,常用塑封材料：一般為環(huán)氧樹脂類熱固性塑料聚合物特點(diǎn)：多孔性、親水性。濕氣：指進(jìn)入到封裝材料中的水蒸氣或液態(tài)形式的水分子濕氣存在形式：（1）單一氣態(tài)；（2）氣液混合態(tài)；（3）結(jié)合水,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,據(jù)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)的調(diào)查結(jié)果，在汽車工業(yè)中使用的電子設(shè)備所接觸的濕度環(huán)境一般是38℃/95%R

7、H，局部位置可以達(dá)到66℃/80%RH濕氣引起的封裝器件失效：（1）濕應(yīng)力破壞；（2）爆米花失效；（3）材料性能下降,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,濕氣使環(huán)氧樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低了30℃,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,熱應(yīng)變與吸濕應(yīng)變的對(duì)比,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,根據(jù)Fick第二定律，得到濕擴(kuò)散方程C是濕氣濃度對(duì)于各向同性材料，濕擴(kuò)散方程可簡(jiǎn)化為,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,對(duì)比濕擴(kuò)散與熱擴(kuò)散熱傳導(dǎo)微分方程濕擴(kuò)散方

8、程 a）相同點(diǎn)：濕擴(kuò)散方程和熱傳導(dǎo)微分方程數(shù)學(xué)形式相同，所以可以用有限元熱傳導(dǎo)模塊代替濕氣擴(kuò)散模塊進(jìn)行分析。,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,b）不同點(diǎn)熱平衡會(huì)在短時(shí)間達(dá)到通常在10秒左右,對(duì)于外形尺寸較小的器件回流過(guò)程中整個(gè)封裝體內(nèi)的溫差小于l℃濕氣擴(kuò)散非常慢,需要幾天,十幾天甚至幾個(gè)月才能達(dá)到濕平衡,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,熱傳導(dǎo)過(guò)程中，溫度是連續(xù)變化的；濕擴(kuò)散過(guò)程中，濕氣濃度在不同界面間的變化不連續(xù)，尤其是材料的飽和濕氣濃度

9、在不同的聚合物材料交界處會(huì)有不同。這就限制了有限元法的使用。,不同材料間的飽和濕氣濃度 𝐶 𝑠𝑎𝑡 不連續(xù),5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,解決方案使用相對(duì)濃度來(lái)代替絕對(duì)濃度。其中， 𝐶 𝑠𝑎𝑡 為材料對(duì)應(yīng)的飽和濃度，𝐶為材料局部的絕對(duì)濃度，𝑤為相對(duì)濃度。,5.2.1 濕氣擴(kuò)

10、散分析,濕擴(kuò)散方程,圖3 相對(duì)濕度𝑤在不同界面間保持連續(xù),5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,有限元分析中用于濕氣擴(kuò)散分析的熱——濕類比關(guān)系,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,表征物質(zhì)的吸濕能力的主要的物理量是（1）擴(kuò)散系數(shù)D擴(kuò)散系數(shù)通常用Arrhenius方程來(lái)表示:,5.2.1 濕氣擴(kuò)散分析,（2）溶解度S溶解度也可定義為,𝐶 𝑠𝑎𝑡 (𝜙

11、,𝑇 ?是飽和含濕量，單位是𝑘𝑔/𝑚3,𝑃(𝜙,𝑇 ?是相對(duì)濕度為𝜙,溫度為T時(shí)水蒸汽分壓,單位MPa𝜙?是相對(duì)濕度，𝑅𝐻,𝑃 𝑠 (𝜙,𝑇 ?是溫度為T時(shí)水的飽和蒸汽壓,單位,單位MPa,5.2

12、.1 濕氣擴(kuò)散分析,水的飽和蒸汽壓遵循Antoine方程式中A, B, C是Antoine常數(shù)相對(duì)濕度𝜙（RH）相對(duì)濕度的定義是,𝑃(𝜙,𝑇 ?是相對(duì)濕度為𝜙,溫度為T時(shí)水蒸汽分壓,單位MPa,𝑃 𝑠 (𝜙,𝑇 ?是溫度為T時(shí)水的飽和蒸汽壓,單位,單位MPa,5.2.2 濕氣膨脹應(yīng)力分

13、析,（1）濕應(yīng)力：由于聚合物材料易于吸收周圍環(huán)境中的濕氣而產(chǎn)生濕膨脹，而封裝器件中不同材料的吸濕性質(zhì)不一，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生濕應(yīng)力。（2）聚合物中吸收的水分子存在形式A）自由水：在微空洞中以自由分子的方式存在；B）結(jié)合水：水分子與聚合物分子鏈間形成氫鍵。,5.2.2 濕氣膨脹應(yīng)力分析,（3）實(shí)驗(yàn)A）熱機(jī)械分析儀（Thermal mechanical analyzer， TMA）：測(cè)量吸濕過(guò)程中的尺寸變化；B）熱重分析儀（Ther

14、mal gravitational analyzer，TGA）：測(cè)量吸濕過(guò)程中的重量變化。,封裝材料吸濕特征參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置與原理,5.2.2 濕氣膨脹應(yīng)力分析,實(shí)驗(yàn)中兩塊相同的試樣被置于相同的濕度／溫度條件下進(jìn)行預(yù)處理，然后將試樣放置在高溫爐中進(jìn)行高溫解吸收過(guò)程，在此過(guò)程中分別使用TGA測(cè)量試樣質(zhì)量的損失(即對(duì)應(yīng)著試樣內(nèi)濕氣濃度的變化)，使用TMA測(cè)量試樣幾何尺寸的變化(即對(duì)應(yīng)著試樣產(chǎn)生的應(yīng)變量)，然后將試樣在此過(guò)程中發(fā)生的應(yīng)變量與

15、對(duì)應(yīng)的濕氣濃度畫成一張函數(shù)關(guān)系圖，兩者之間的線性關(guān)系就是所謂的材料濕膨脹系數(shù)𝛽（coefficient of moisture expansion，CME或者coefficient of hygroscopic swelling，CHS）。,5.2.2 濕氣膨脹應(yīng)力分析,,有限元分析中濕應(yīng)力分析的熱——濕類比關(guān)系,5.2.3 蒸汽壓力分析,塑封器件吸濕后所產(chǎn)生的內(nèi)部蒸汽壓力，被認(rèn)為是引起“爆米花”開裂現(xiàn)象最接的因素，也是

16、最主要的破壞機(jī)制,5.2.3 蒸汽壓力分析,（1）代表性單元（RVE）：從宏觀上看，在吸濕材料局部選取一塊足夠小的可代表性材料特性的體積單元，而從微觀看此單元足夠大。 空隙體積分?jǐn)?shù) 濕氣濃度空隙內(nèi)的濕氣密度其中，𝑑𝑚為多孔材料內(nèi)單位空隙體積𝑑 𝑉 𝑓 中所含的濕氣質(zhì)量，𝑑

17、19881;為多孔材料所占的空間單位體積。,Fan, X., G. Zhang, et al. (2002). "A Micro-mechanics approach in polymeric material failures in microelectronic packaging." Proc. ESIME.,5.2.3 蒸汽壓力分析,Fan估算了在85℃／85%RH環(huán)境條件下，模塑料中可吸收的最大飽和濕氣濃度

18、 𝐶 𝑠𝑎𝑡 =41 𝜌 𝑒𝑥𝑡 ( 𝜌 𝑒𝑥𝑡 為周圍環(huán)境的濕氣密度)，再假設(shè)孔隙體積分?jǐn)?shù)𝑓=0.05，可得這一數(shù)值更清晰地表明了模塑料可吸收的濕氣量。吸收如此大量的濕氣后，在材料內(nèi)部這些濕氣一定會(huì)以氣／液混合的狀態(tài)。,5

19、.2.3 蒸汽壓力分析,（2）濕氣狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)其中， 𝜌 𝑔 對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸汽密度。處于氣液混合狀態(tài)的濕氣，須知狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度 𝑇 1 ，在此溫度下，濕氣全部轉(zhuǎn)為氣態(tài)。,5.2.3 蒸汽壓力分析,（3）不同狀態(tài)的蒸汽壓計(jì)算公式1）升溫過(guò)程中，濕氣一直處于氣液混合狀態(tài)，內(nèi)部蒸汽壓力則為相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓力，即2）升溫過(guò)程中，濕氣一直處于氣態(tài)，則使用氣體狀態(tài)方程來(lái)計(jì)

20、算蒸汽壓力式中，𝑅為氣體常數(shù)，𝑅=8.314 𝐽 𝑚 𝑜𝑙,5.2.3 蒸汽壓力分析,（3）不同狀態(tài)的蒸汽壓計(jì)算公式另外，再假設(shè)材料不可壓縮，由溫度引起的空洞體積的改變其中，𝛥𝑇=𝑇? 𝑇 0 ，𝛼為熱膨脹系數(shù)，可得濕氣濃度變化,5.2.3 蒸汽壓

21、力分析,（4）封裝材料內(nèi)部蒸汽壓力計(jì)算1）第一種情況：材料空隙內(nèi)的濕氣濃度很小，在預(yù)處理溫度 𝑇 0 時(shí)就處于單一氣態(tài)，即狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度𝑇 1 < 𝑇 0 ，也即𝜌(𝑇 0 ) ≤ 𝜌 𝑔 (𝑇 0 ) 此時(shí)的蒸汽壓力 𝑃(𝑇′ 計(jì)算如下,5.2.3 蒸汽壓力分析

22、,2）第二種情況：濕氣從開始溫度 𝑇 0 至回流溫度𝑇一直處于氣液混合狀態(tài)，即 𝑇 1 >𝑇，此時(shí)的蒸汽壓力 𝑃(𝑇′ 計(jì)算如下,5.2.3 蒸汽壓力分析,3）第三種情況：介于前面兩種情況之間，即在預(yù)處理溫度 𝑇 0 處于氣液混合狀態(tài)，在回流溫度𝑇處于氣態(tài)，意味著[ 𝑇 0 ,Ү

23、79;]區(qū)間內(nèi)存在狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度 𝑇 1 ，使得濕氣全部轉(zhuǎn)化氣態(tài)，,5.2.4 等效熱應(yīng)力分析,（1）五個(gè)模型：濕氣擴(kuò)散分析模型、熱分析模型、濕應(yīng)力分析模型、熱應(yīng)力分析模型和蒸汽壓力分析模型。模型之間相互聯(lián)系，互不獨(dú)立。蒸汽壓力分析模型和濕氣應(yīng)力分析模型要用到濕氣擴(kuò)散分析模型得到的濕氣分布結(jié)果。溫度分析模型得到的溫度分布結(jié)果將施加到蒸汽壓力分析型和熱應(yīng)力分析模型。,5.2.4 等效熱應(yīng)力分析,,回流時(shí)的綜合應(yīng)力分析

24、流程,5.2.4 等效熱應(yīng)力分析,（2）等效應(yīng)力：由熱應(yīng)力、濕氣應(yīng)力、蒸汽壓力引起的應(yīng)力應(yīng)變合并而成，這為處于回流溫度封裝體的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算帶來(lái)很大的方便。1）濕氣引起的膨脹應(yīng)變等效為熱應(yīng)變處理:𝛽為膨脹系數(shù)，𝐶為濕度， 𝑇 0 為聚合物的玻璃化溫度。,5.2.4 等效熱應(yīng)力分析,2）蒸汽壓力引起的膨脹應(yīng)變等效為熱應(yīng)變處理：則由蒸汽壓力引起的膨脹的等效熱膨脹系數(shù)為,5.2.

25、4 等效熱應(yīng)力分析,3）由熱、濕氣膨脹應(yīng)力=、蒸汽壓力引起的綜合等效熱膨脹系數(shù)變?yōu)槔蒙厦嫠械牡刃釕?yīng)力計(jì)算公式，分別得到濕氣等效熱膨脹系數(shù)、蒸汽壓力等效熱膨脹系數(shù)和綜合等效熱膨脹系數(shù)，再加上其他一些材料參數(shù)，就可以進(jìn)行等效熱應(yīng)力的分析模擬了。,5.3 微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng),5.3.1 思路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.3.2 系統(tǒng)功能5.3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),5.3 微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng),在對(duì)微電子封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析、熱應(yīng)力分析及濕

26、氣分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)同一個(gè)封裝家族產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)大致是相同的，只是尺寸不一樣。很多時(shí)候用戶是在分析同一個(gè)封裝模型在不同環(huán)境條件下的結(jié)果，或者是分析同一個(gè)封裝模型在不同材料下的結(jié)果等。這樣的分析過(guò)程包含了很多相同或相似的操作，如果每個(gè)產(chǎn)品都進(jìn)行獨(dú)立的分析，必然會(huì)造成重復(fù)勞動(dòng)，而且還會(huì)出現(xiàn)不同的分析者得出不同的分析結(jié)果。針對(duì)這種情況，可以利用Workbench的二次開發(fā)工具，基于Workbench平臺(tái)上制定專門的微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng)。,夏楊建

27、 (2009). 基于 ANSYS Workbench 的微電子封裝自動(dòng)化濕氣分析系統(tǒng)開發(fā), 浙江工業(yè)大學(xué).,5.3.1 思路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu),思路：先對(duì)大量封裝模型在Workbench中的熱、熱應(yīng)力及濕氣分析作仔細(xì)研究，總結(jié)分析經(jīng)驗(yàn)，確定其模型化方案，如載荷如何施加、網(wǎng)格如何劃分、載荷步如何設(shè)置、應(yīng)該提取哪些計(jì)算結(jié)果等，再將這些分析經(jīng)驗(yàn)固化到程序中，所有與模型相關(guān)的過(guò)程完全封裝在后臺(tái)運(yùn)行。,5.3.1 思路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,微電子封裝仿真自動(dòng)化

28、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路,5.3.1 思路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)最核心的部分是封裝在用戶界面后臺(tái)的固化程序，它是用JScript語(yǔ)言編制的通用分析程序，用于啟動(dòng)和調(diào)Workbench，并在Workbench中自動(dòng)完成導(dǎo)入模型、加材料、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件、求解等過(guò)程。固化程序涉及Workbench的Design Modeler和Design Simulation兩個(gè)模塊。其中，在Design Modeler主要完成導(dǎo)入CAD模型的處理，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

29、化的仿真分析做準(zhǔn)備；在Design Simulation主要完成加材料、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件以及求解等過(guò)程。固化程序最后將分析結(jié)果輸出到用戶界面上。,5.3.2 系統(tǒng)功能,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能（1）傳熱分析（2）熱應(yīng)力分析（3）濕氣擴(kuò)散分析（4）濕應(yīng)力分析（5）蒸汽壓力分析（6）等效熱應(yīng)力分析,5.3.2 系統(tǒng)功能,,微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng)的組成,5.3.2 系統(tǒng)功能,,微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng)的分析流程圖,5.3.2 系統(tǒng)功

30、能,,模型信息界面,5.3.2 系統(tǒng)功能,,向?qū)Ы缑?5.3.2 系統(tǒng)功能,,材料數(shù)據(jù)庫(kù),5.3.2 系統(tǒng)功能,,材料數(shù)據(jù)庫(kù),5.3.2 系統(tǒng)功能,,環(huán)境信息,5.3.3 實(shí)現(xiàn)技術(shù),基于Workbench開發(fā)實(shí)施的協(xié)同仿真環(huán)境將從根本上消除成熟CAE軟件對(duì)研發(fā)流程的不適用性，按照研發(fā)流程對(duì)CAE技術(shù)改造,使之無(wú)論在整體思想上還是流程上都與數(shù)字化研發(fā)流程相吻合,5.3.3 實(shí)現(xiàn)技術(shù),Workbench在保持CAE核心多樣化的同時(shí),建立由A

31、NSYSCAE技術(shù)組件裝配而成的協(xié)同仿真環(huán)境“用戶可以根據(jù)本單位產(chǎn)品研發(fā)流程將這些拆散的技術(shù)重新組合,并集成為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù),形成既能夠充分滿足分析需求又充分融入產(chǎn)品研發(fā)流程的仿真體系”通過(guò)調(diào)用ANSYS Workbench標(biāo)準(zhǔn)的APIS,可以達(dá)到如下目的:(l)集成用戶和第三方應(yīng)用程序到框架結(jié)構(gòu)的開始頁(yè)與項(xiàng)目頁(yè)里;(2)通過(guò)項(xiàng)目頁(yè)可以集成外部應(yīng)用程序到框架中;(3)生成ANSYS Workbench的自定義界面;(4)

32、生成可以管理和使用自己的圖形引擎與GUI工具的應(yīng)用程序,5.3.3 實(shí)現(xiàn)技術(shù),Workbench在保持CAE核心多樣化的同時(shí),建立由ANSYSCAE技術(shù)組件裝配而成的協(xié)同仿真環(huán)境“用戶可以根據(jù)本單位產(chǎn)品研發(fā)流程將這些拆散的技術(shù)重新組合,并集成為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù),形成既能夠充分滿足分析需求又充分融入產(chǎn)品研發(fā)流程的仿真體系”通過(guò)調(diào)用ANSYS Workbench標(biāo)準(zhǔn)的APIS,可以達(dá)到如下目的:(l)集成用戶和第三方應(yīng)用程序到框架結(jié)

33、構(gòu)的開始頁(yè)與項(xiàng)目頁(yè)里;(2)通過(guò)項(xiàng)目頁(yè)可以集成外部應(yīng)用程序到框架中;(3)生成ANSYS Workbench的自定義界面;(4)生成可以管理和使用自己的圖形引擎與GUI工具的應(yīng)用程序,5.3.3 實(shí)現(xiàn)技術(shù),Workbench提供多種客戶化工具方便用戶進(jìn)行二次開發(fā),主要有:simulation Wizard Editor、 ANSYS Workbench SDK和Jscript,VBscript和HTML腳本語(yǔ)言編制專用設(shè)計(jì)分析軟件

34、Workbench提供的SDK對(duì)象是基于COM的對(duì)象,它可以直接被腳本程序訪問(wèn)目前ANSYS公司公開出來(lái)SDK對(duì)象，主要可以分成服務(wù)對(duì)象(Service Objects)和Simulation對(duì)象(Simulation Objects)服務(wù)對(duì)象包含了組成Workbeneh SDK的主要對(duì)象,主要有Workbench對(duì)象(Workbench Objeets)模型管理對(duì)象(PartManager Objects)和輔助對(duì)象(Auxil

35、iary Objects)Simulation對(duì)象包含了Design simulation模塊中控制網(wǎng)格劃分、施加邊界條件、求解等功能的對(duì)象，Simulation對(duì)象最頂層的對(duì)象名稱是“DsApplication",其他所有的simulation對(duì)象都是“DsApplication"的子集,5.4.1 工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,PCB級(jí)封裝模型采用MLP封裝家族的MLP 6×6模型結(jié)構(gòu)，本實(shí)例采

36、用它的1／4模型進(jìn)行分析。整個(gè)模型結(jié)構(gòu)包含印刷電路板(PCB)、芯片、黏結(jié)層、環(huán)氧塑封料、引線框架、焊接層、銅墊、印刷跡線。其中印刷電路板的尺寸是76.2mm * 114.3mm * 1.6mm, 印刷跡線的尺寸是 50mm * 50mm * 0.071mm 。,MLP 6 X 6 封裝模型的整體結(jié)構(gòu)圖,MLP 6 X 6 封裝模型的局部結(jié)構(gòu)圖,5.4 分析案例,5.4.1 熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析5.4.2 濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分析5.

37、4.3 蒸汽壓力分析5.4.4 MLP 6 X 6 封裝模型的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),5.4.1 工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,,MLP 6 X 6 封裝模型的材料屬性,5.4.1 工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,PCB級(jí)封裝的載荷與邊界條件：（1）芯片的功率為0.5W。（2）為了比較對(duì)流方式對(duì)封裝模型傳熱的影響，分別采用自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種方式進(jìn)行加載，環(huán)境溫度為25℃。下表是自然對(duì)流時(shí)封裝模型外表面的對(duì)流系數(shù)；對(duì)于強(qiáng)迫對(duì)

38、流時(shí)，取風(fēng)速為400ft／min，封裝模型外表面的對(duì)流系數(shù)為2.83× 10 ?5 𝑊 𝑚 𝑚 2 ·𝐾.,5.4.1 工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,（3）在熱傳導(dǎo)分析時(shí)，其1／4邊界上沒(méi)有對(duì)流，參考溫度定為25℃。圖11是熱傳導(dǎo)分析時(shí)，封裝模型載荷的示意圖。,封裝模型載荷與邊界條件的示意圖,5.4.1 工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,自然

39、對(duì)流條件下分別使用Autosim和ANSYS計(jì)算出的溫度和熱阻結(jié)果的比較,5.4.1 工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,強(qiáng)迫對(duì)流條件下分別使用Autosim和ANSYS計(jì)算出的溫度和熱阻結(jié)果的比較,5.4.1 工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,自然對(duì)流下封裝體von mises分布云圖的比較,圖13 強(qiáng)迫對(duì)流下封裝體von mises分布云圖的比較,強(qiáng)迫對(duì)流下封裝體von mises分布云圖的比較,5.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用—濕氣擴(kuò)

40、散和濕應(yīng)力分析,將微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)MLP 6×6封裝模型進(jìn)行濕氣擴(kuò)散分析和濕應(yīng)力分析，列出了封裝模型材料吸收濕氣和濕膨脹參數(shù)。,MLP 6×6的材料特性,5.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用—濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分析,設(shè)置了三種不同的濕氣環(huán)境：85℃／85％RH，60℃／60％RH和30℃／30％RH。在不同的環(huán)境下，材料有不同的擴(kuò)散系數(shù)D和飽和濕度C。濕氣處理的時(shí)間一般為168h、96h、48h、36h、24h、12h，

41、允許用戶根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)選擇不同的濕氣處理時(shí)間，從而得到不同的分析結(jié)果。,5.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用—濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分析,5.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用—濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分析,5.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用—濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分析,經(jīng)過(guò)168h的吸濕時(shí)間后，封裝體環(huán)氧塑封材料吸濕量基本達(dá)到飽和,5.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用—濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分析,85℃／85％RH潮濕環(huán)境條件下經(jīng)過(guò)96h的吸濕時(shí)間后，綜合變形,5.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用—濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分

42、析,85℃／85％RH潮濕環(huán)境條件下經(jīng)過(guò)96h的吸濕時(shí)間后，應(yīng)力情況,5.4.3 工程應(yīng)用實(shí)例——蒸汽壓力分析,蒸汽壓力分析是在得到濕氣分布結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在封裝產(chǎn)品處于回流溫度分析過(guò)程中，在封裝體內(nèi)吸收的濕氣會(huì)變成水蒸氣，并在封裝體內(nèi)聚集產(chǎn)生壓力，直至封裝體失效。對(duì)于一種普遍的模塑料在85℃/85%RH的環(huán)境下， 𝐶 𝑠𝑎𝑡 =1.25× 10 ?2

43、𝑔 𝑐 𝑚 3 ， 𝜌 𝑔 =3.576× 10 ?4 𝑔 𝑐 𝑚 3 ， 𝜌 𝑒𝑥𝑡 =0.85 𝜌 𝑔 =3.04× 10 ?4 𝑔 𝑐 Ү

44、98; 3 。計(jì)算得到 𝐶 𝑠𝑎𝑡 ≈41 𝜌 𝑒𝑥𝑡 。該關(guān)系式直觀地說(shuō)明，模塑料中所含的濕氣密度要比周圍環(huán)境中的濕氣密度大得多，模塑料所吸收的濕氣在材料的微孔隙中絕大部分都會(huì)凝結(jié)成水，因此材料所吸收的濕氣將會(huì)以氣／液混合狀態(tài)存在。,5.4.3 工程應(yīng)用實(shí)例——蒸汽壓力分析,ANSYS Workbench中

45、沒(méi)有直接分析蒸汽壓力的功能，但是可以利用不同溫度下飽和蒸汽的密度和蒸汽壓力編寫APDL計(jì)算蒸汽壓力分析程序．,5.4.3 工程應(yīng)用實(shí)例——蒸汽壓力分析,MLP 6 X 6封裝模型在85℃／85％RH條件下吸濕168h后，放在220℃的回流溫度中時(shí)的蒸汽壓力分布情況。發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)168h后封裝體環(huán)氧塑封料和粘結(jié)層的蒸汽壓力基本上已經(jīng)達(dá)到飽和蒸汽壓力狀態(tài)。,蒸汽壓力分布,5.4.4 MLP 6 X 6 封裝模型的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),利用微電子封裝仿

46、真自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算封裝模型在不同材料參數(shù)的結(jié)果，通過(guò)這一系列的計(jì)算比較，設(shè)計(jì)人員和用戶可以對(duì)封裝模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。為了易于比較，選用了MLP 6×6模型來(lái)分析比較。模型尺寸如表所示，其中芯片有兩種尺寸。分析16種不同情況下封裝模型由熱應(yīng)力、濕氣應(yīng)力、蒸汽壓力引起的綜合等效熱應(yīng)力分布情況。表10列出了16種情況下環(huán)氧塑封料和黏結(jié)層的部分材料參數(shù)。,,MLP 6 X 6 封裝模型的結(jié)構(gòu)尺寸,環(huán)氧塑封料和粘結(jié)層

47、的部分材料參數(shù),,,環(huán)氧塑封料、芯片、引線框架和芯片之間的粘結(jié)層的應(yīng)力樹脂表,5.4.4 MLP 6 X 6 封裝模型的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),結(jié)果分析（1）第5種參數(shù)情況下的芯片第一主應(yīng)力數(shù)值最大，Mises接近700MPa，同時(shí)環(huán)氧塑封料和黏結(jié)層的von Mises應(yīng)力數(shù)值都很大，顯然這種參數(shù)設(shè)計(jì)的封裝模型是不可取的。（2）第16種參數(shù)情況下得到的黏結(jié)層的vonMises應(yīng)力數(shù)值8．31 MPa，在所有的參數(shù)計(jì)算中是最小的，但是相應(yīng)的芯片

48、第一主應(yīng)力和環(huán)氧塑封料的von Mises應(yīng)力數(shù)值都很大，分別排在第9和第10的位置。（3）第6種參數(shù)情況下得到的芯片第一主應(yīng)力和環(huán)氧塑封料的von Mises應(yīng)力數(shù)值最小，在此情況下的黏結(jié)層的von Mises應(yīng)力數(shù)值為10．02MPa，與最小值8．31MPa相比，相差約2．7MPa，不是很明顯。,5.4.4 MLP 6 X 6 封裝模型的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),在本例中，黏結(jié)層的黏結(jié)強(qiáng)度為12MPa，芯片的抗拉強(qiáng)度為200MPa，環(huán)氧樹脂的

49、抗拉強(qiáng)度為120MPa。通過(guò)這一系列的分析，可看出第6種設(shè)計(jì)方案得到的綜合等效熱應(yīng)力的樹脂結(jié)果最令人滿意，也是最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。,5.5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理5.5.2 Workbench 熱應(yīng)力分析,5.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)于單因素或兩因素試驗(yàn)，因其因素少 ，試驗(yàn)的設(shè)計(jì) 、實(shí)施與分析都比較簡(jiǎn)單 。但在實(shí)際工作中 ，常常需要同時(shí)考察 3個(gè)或3個(gè)以上的試驗(yàn)因素 ，若進(jìn)行全面試驗(yàn) ，則試驗(yàn)的規(guī)模將很大 ，往往因

50、試驗(yàn)條件的限制而難于實(shí)施 。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn) 、尋求最優(yōu)水平組合 的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表來(lái)安排與分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法。它是由試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)的，通過(guò)對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合。,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,因素和水平根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件決定，例：分化酸堿滴定實(shí)驗(yàn)——

51、測(cè)定石灰水中Ca(OH)2的濃度，用鹽酸滴定，用酚酞作指示劑，因素——Ca(OH)2、鹽酸、酚酞；水平——Ca(OH)2分別用2%、5%、10%，這稱為3水平；鹽酸用1%、2%、3%滴定，是鹽酸因素的3水平，依此類推,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,例如，要考察增稠劑用量、pH值和殺菌溫度對(duì)豆奶穩(wěn)定性的影響。每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn) 。 A因素是增稠劑用量，設(shè)A1、A2、A3 3個(gè)水平；B因素是pH值，設(shè)

52、B1、B2、B3 3個(gè)水平；C因素為殺菌溫度，設(shè)C1、C2、C3 3個(gè)水平。這是一個(gè)3因素3水平的試驗(yàn)，各因素的水平之間全部可能組合有27種 。 全面試驗(yàn)：可以分析各因素的效應(yīng) ，交互作用，也可選出最優(yōu)水平組合。但全面試驗(yàn)包含的水平組合數(shù)較多，工作量大 ，在有些情況下無(wú)法完成 。 若試驗(yàn)的主要目的是尋求最優(yōu)水平組合，則 可利用正交表來(lái)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)是

53、：用部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況。 正因?yàn)檎辉囼?yàn)是用部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)的，它不可能像全面試驗(yàn)?zāi)菢訉?duì)各因素效應(yīng)、交互作用一一分析；當(dāng)交互作用存在時(shí)，有可能出現(xiàn)交互作用的混雜。雖然正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)有上述不足，但它能通過(guò)部分試驗(yàn)找到最優(yōu)水平組合 。,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,如對(duì)于上述3因素3水平試驗(yàn)，若不考慮交互作用，可利用正交表L9(34)安排，試驗(yàn)方案僅包含9個(gè)水平組合，就能反映

54、試驗(yàn)方案包含27個(gè)水平組合的全面試驗(yàn)的情況，如果是3因素4水平，試驗(yàn)方案僅包含9個(gè)水平組合，就能反映試驗(yàn)方案包含81個(gè)水平組合的全面試驗(yàn)的情況，這加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，并能找出最佳的生產(chǎn)條件。,L9（34）,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,正交設(shè)計(jì)就是從選優(yōu)區(qū)全面試驗(yàn)點(diǎn)（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗(yàn)點(diǎn)（水平組合）來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。圖10-1中標(biāo)有試驗(yàn)號(hào)的九個(gè)“(·)”，就是利用正交表L9(34)從27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中挑選出來(lái)的9個(gè)

55、試驗(yàn)點(diǎn)。即：(1)A1B1C1 (2)A2B1C2 (3)A3B1C3(4)A1B2C2 (5)A2B2C3 (6)A3B2C1(7)A1B3C3 (8)A2B3C1 (9)A3B3C2,下一張,主 頁(yè),退 出,上一張,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,上述選擇 ，保證了A因素的每個(gè)水平與B因素、C因素的各個(gè)水平在試驗(yàn)中各搭配一次 。對(duì)于A

56、、B、C 3個(gè)因素來(lái)說(shuō) ， 是在27個(gè)全面試驗(yàn)點(diǎn)中選擇9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn) ，僅 是全面試驗(yàn)的 三分之一。 從下可以看到 ，9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在選優(yōu)區(qū)中分布是均衡的，在立方體的每個(gè)平面上 ，都恰是3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)；在立方體的每條線上也恰有一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。 9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均衡地分布于整個(gè)立方體內(nèi) ，有很強(qiáng)的代表性 ， 能 夠比較全面地反映選優(yōu)區(qū)內(nèi)的基本情況。,3 因 素 3 水 平 的 全 面試驗(yàn)水平組合數(shù)為33=27，4 因素

57、3水平的全面試驗(yàn)水平組合數(shù)為34=81 ，5因素3水平的全面試驗(yàn)水平組合數(shù)為35=243，這在科學(xué)試驗(yàn)中是有可能做不到的。,,,,,,,,,,,La（bc）,正交設(shè)計(jì),試驗(yàn)總次數(shù)，行數(shù),因素水平數(shù),因素個(gè)數(shù)，列數(shù),等水平正交表 La（bc）,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,5.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及原理,常用的正交表已由數(shù)學(xué)工作者制定出來(lái)，供進(jìn)行正交設(shè)計(jì)時(shí)選用。2水平正交表除L8(27)外，還有L4(23)、L16(21

58、5)等；3水平正交表有L9(34)、L27(213)……等（詳見(jiàn)附表14及有關(guān)參考書）。正交表的基本性質(zhì) 正交性 任一列中，各水平都出現(xiàn)，且出現(xiàn)的次數(shù)相等 例如L8(27)中不同數(shù)字只有1和2，它們各出現(xiàn)4次；L9(34)中不同數(shù)字有1、2和3，它們各出現(xiàn)3次 。,5.5.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本程序,試驗(yàn)?zāi)康呐c要求,試驗(yàn)指標(biāo),選因素、定水平,因素、水平確定,選擇合適正交表,表頭設(shè)計(jì),列試驗(yàn)方案,,,,,,,試驗(yàn)結(jié)

59、果分析,進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果極差分析,計(jì)算K值,計(jì)算k值,計(jì)算極差R,繪制因素指標(biāo)趨勢(shì)圖,優(yōu)水平,因素主次順序,優(yōu)組合,結(jié) 論,,,,,,,,,,,,,試驗(yàn)結(jié)果方差分析,,列方差分析表，進(jìn)行F 檢驗(yàn),計(jì)算各列偏差平方和、自由度,分析檢驗(yàn)結(jié)果，寫出結(jié)論,,,,5.5.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本程序,試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（1） 明確試驗(yàn)?zāi)康?，確定試驗(yàn)指標(biāo) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)前必須明確試驗(yàn)?zāi)康?，即本次試?yàn)要解決什么問(wèn)題。試驗(yàn)?zāi)康拇_定后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)

60、果如何衡量，即需要確定出試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)指標(biāo)可為定量指標(biāo)，如強(qiáng)度、硬度、產(chǎn)量、出品率、成本等；也可為定性指標(biāo)如顏色、口感、光澤等。一般為了便于試驗(yàn)結(jié)果的分析，定性指標(biāo)可按相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)打分或模糊數(shù)學(xué)處理進(jìn)行數(shù)量化，將定性指標(biāo)定量化。,5.5.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本程序,（2） 選因素、定水平，列因素水平表 根據(jù)專業(yè)知識(shí)、以往的研究結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)，從影響試驗(yàn)指標(biāo)的諸多因素中，通過(guò)因果分析篩選出需要考察的試驗(yàn)因素。一般確定試驗(yàn)因素時(shí)，應(yīng)以對(duì)試驗(yàn)指

61、標(biāo)影響大的因素、尚未考察過(guò)的因素、尚未完全掌握其規(guī)律的因素為先。試驗(yàn)因素選定后，根據(jù)所掌握的信息資料和相關(guān)知識(shí)，確定每個(gè)因素的水平，一般以2-4個(gè)水平為宜。對(duì)主要考察的試驗(yàn)因素，可以多取水平，但不宜過(guò)多（≤6），否則試驗(yàn)次數(shù)驟增。因素的水平間距，應(yīng)根據(jù)專業(yè)知識(shí)和已有的資料，盡可能把水平值取在理想?yún)^(qū)域。,5.5.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本程序,（3） 選擇合適的正交表 正交表的選擇是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。確定了因素及其水平后，根

62、據(jù)因素、水平及需要考察的交互作用的多少來(lái)選擇合適的正交表。正交表的選擇原則是在能夠安排下試驗(yàn)因素和交互作用的前提下，盡可能選用較小的正交表，以減少試驗(yàn)次數(shù)。 一般情況下，試驗(yàn)因素的水平數(shù)應(yīng)等于正交表中的水平數(shù)；因素個(gè)數(shù)（包括交互作用）應(yīng)不大于正交表的列數(shù)；各因素及交互作用的自由度之和要小于所選正交表的總自由度，以便估計(jì)試驗(yàn)誤差。若各因素及交互作用的自由度之和等于所選正交表總自由度，則可采用有重復(fù)正交試驗(yàn)來(lái)估計(jì)試驗(yàn)誤差。,L

63、4（23）正交表,4次實(shí)驗(yàn),水平數(shù),因素,,,決定列數(shù),結(jié)合L4（23）正交表安排實(shí)驗(yàn)如下,4次實(shí)驗(yàn)較常規(guī)安排（8次）實(shí)驗(yàn)少一半,5.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,分清各因素及其交互作用的主次順序，分清哪個(gè)是主要因素，哪個(gè)是次要因素；判斷因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度；找出試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，即試驗(yàn)因素各取什么水平時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)最好；分析因素與試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系，即當(dāng)因素變化時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)是如何變化的。找出指標(biāo)隨因素變化的規(guī)

64、律和趨勢(shì)，為進(jìn)一步試驗(yàn)指明方向；了解各因素之間的交互作用情況；估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小。,按下表安排實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)分析：每?jī)蓚€(gè)試驗(yàn)都有兩個(gè)條件不同，不能直接比較,,,綜合可比性：兩種水平出現(xiàn)次數(shù)相同，組合不同不影響指標(biāo),1）計(jì)算因素1（加熱溫度℃）的變化導(dǎo)致指標(biāo)變動(dòng),2、因素影響指標(biāo)的主次加熱溫度℃ 保溫時(shí)間 出爐溫度℃ (通過(guò)R)3、因素的最佳搭配 800 8 400,因素對(duì)指標(biāo)的影