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化系統(tǒng)5.4 分析案例5.5 正交實驗設(shè)計,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，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)分析時間點很多，但結(jié)構(gòu)時間點很少時效率較高。很容易用輸入文件實現(xiàn)自動處理。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問題。熱和結(jié)構(gòu)之間可實現(xiàn)真正的耦合。在某些分析中可能耗費過多開銷。,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,順序方法對非高度非線性耦合情況，順序方法更有效、靈活，因為它可以獨立執(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行線性靜力分析，然后可以把熱分析中任意荷載步或時間點的節(jié)點溫度作為應(yīng)力分析的荷載。,直接方法對耦合場是高度非線性情況，直接方法更好，并且該方法用耦合公式單一求解時是最好的。 直接耦合的例子，包括壓電分析，有流體流動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）傳遞到結(jié)構(gòu)分析,5.2 濕氣分析理論,5.2.1 濕氣

6、擴散理論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：多孔性、親水性。濕氣：指進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 濕氣擴散分析,據(jù)美國汽車工程師協(xié)會的調(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 濕氣擴散分析,熱應(yīng)變與吸濕應(yīng)變的對比,5.2.1 濕氣擴散分析,根據(jù)Fick第二定律，得到濕擴散方程C是濕氣濃度對于各向同性材料，濕擴散方程可簡化為,5.2.1 濕氣擴散分析,對比濕擴散與熱擴散熱傳導(dǎo)微分方程濕擴散方

8、程 a）相同點：濕擴散方程和熱傳導(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)模塊代替濕氣擴散模塊進行分析。,5.2.1 濕氣擴散分析,b）不同點熱平衡會在短時間達到通常在10秒左右,對于外形尺寸較小的器件回流過程中整個封裝體內(nèi)的溫差小于l℃濕氣擴散非常慢,需要幾天,十幾天甚至幾個月才能達到濕平衡,5.2.1 濕氣擴散分析,熱傳導(dǎo)過程中，溫度是連續(xù)變化的；濕擴散過程中，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 濕氣擴散分析,解決方案使用相對濃度來代替絕對濃度。其中， 𝐶 𝑠𝑎𝑡 為材料對應(yīng)的飽和濃度，𝐶為材料局部的絕對濃度，𝑤為相對濃度。,5.2.1 濕氣擴

10、散分析,濕擴散方程,圖3 相對濕度𝑤在不同界面間保持連續(xù),5.2.1 濕氣擴散分析,有限元分析中用于濕氣擴散分析的熱——濕類比關(guān)系,5.2.1 濕氣擴散分析,表征物質(zhì)的吸濕能力的主要的物理量是（1）擴散系數(shù)D擴散系數(shù)通常用Arrhenius方程來表示:,5.2.1 濕氣擴散分析,（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 ?是相對濕度為𝜙,溫度為T時水蒸汽分壓,單位MPa𝜙?是相對濕度，𝑅𝐻,𝑃 𝑠 (𝜙,𝑇 ?是溫度為T時水的飽和蒸汽壓,單位,單位MPa,5.2

12、.1 濕氣擴散分析,水的飽和蒸汽壓遵循Antoine方程式中A, B, C是Antoine常數(shù)相對濕度𝜙（RH）相對濕度的定義是,𝑃(𝜙,𝑇 ?是相對濕度為𝜙,溫度為T時水蒸汽分壓,單位MPa,𝑃 𝑠 (𝜙,𝑇 ?是溫度為T時水的飽和蒸汽壓,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，進而會產(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）實驗A）熱機械分析儀（Thermal mechanical analyzer， TMA）：測量吸濕過程中的尺寸變化；B）熱重分析儀（Ther

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

15、對應(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。 空隙體積分數(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)孔隙體積分數(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)的判斷標準其中， 𝜌 𝑔 對應(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)的蒸汽壓計算公式1）升溫過程中，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）升溫過程中，濕氣一直處于氣態(tài)，則使用氣體狀態(tài)方程來計

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 ) 此時的蒸汽壓力 𝑃(𝑇′ 計算如下,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，此時的蒸汽壓力 𝑃(𝑇′ 計算如下,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）五個模型：濕氣擴散分析模型、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)變計算帶來很大的方便。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)，就可以進行等效熱應(yīng)力的分析模擬了。,5.3 微電子封裝仿真自動化系統(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)實現(xiàn),5.3 微電子封裝仿真自動化系統(tǒng),在對微電子封裝結(jié)構(gòu)進行熱分析、熱應(yīng)力分析及濕

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

27、 (2009). 基于 ANSYS Workbench 的微電子封裝自動化濕氣分析系統(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：先對大量封裝模型在Workbench中的熱、熱應(yīng)力及濕氣分析作仔細研究，總結(jié)分析經(jīng)驗，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)該提取哪些計算結(jié)果等，再將這些分析經(jīng)驗固化到程序中，所有與模型相關(guān)的過程完全封裝在后臺運行。,5.3.1 思路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,微電子封裝仿真自動化

28、系統(tǒng)的總體設(shè)計思路,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的固化程序，它是用JScript語言編制的通用分析程序，用于啟動和調(diào)Workbench，并在Workbench中自動完成導(dǎo)入模型、加材料、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件、求解等過程。固化程序涉及Workbench的Design Modeler和Design Simulation兩個模塊。其中，在Design Modeler主要完成導(dǎo)入CAD模型的處理，為實現(xiàn)自動

29、化的仿真分析做準備；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)實現(xiàn)的功能（1）傳熱分析（2）熱應(yīng)力分析（3）濕氣擴散分析（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化系統(tǒng)的組成,5.3.2 系統(tǒng)功能,,微電子封裝仿真自動化系統(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,5.3.2 系統(tǒng)功能,,材料數(shù)據(jù)庫,5.3.2 系統(tǒng)功能,,環(huán)境信息,5.3.3 實現(xiàn)技術(shù),基于Workbench開發(fā)實施的協(xié)同仿真環(huán)境將從根本上消除成熟CAE軟件對研發(fā)流程的不適用性，按照研發(fā)流程對CAE技術(shù)改造,使之無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 實現(xiàn)技術(shù),Workbench在保持CAE核心多樣化的同時,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”通過調(diào)用ANSYS Workbench標準的APIS,可以達到如下目的:(l)集成用戶和第三方應(yīng)用程序到框架結(jié)構(gòu)的開始頁與項目頁里;(2)通過項目頁可以集成外部應(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 實現(xiàn)技術(shù),Workbench在保持CAE核心多樣化的同時,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”通過調(diào)用ANSYS Workbench標準的APIS,可以達到如下目的:(l)集成用戶和第三方應(yīng)用程序到框架結(jié)

33、構(gòu)的開始頁與項目頁里;(2)通過項目頁可以集成外部應(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 實現(xiàn)技術(shù),Workbench提供多種客戶化工具方便用戶進行二次開發(fā),主要有:simulation Wizard Editor、 ANSYS Workbench SDK和Jscript,VBscript和HTML腳本語言編制專用設(shè)計分析軟件

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

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

36、用它的1／4模型進行分析。整個模型結(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 封裝模型的仿真實驗設(shè)計,5.4.1 工程應(yīng)用實例——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)用實例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,PCB級封裝的載荷與邊界條件：（1）芯片的功率為0.5W。（2）為了比較對流方式對封裝模型傳熱的影響，分別采用自然對流和強迫對流兩種方式進行加載，環(huán)境溫度為25℃。下表是自然對流時封裝模型外表面的對流系數(shù)；對于強迫對

38、流時，取風(fēng)速為400ft／min，封裝模型外表面的對流系數(shù)為2.83× 10 ?5 𝑊 𝑚 𝑚 2 ·𝐾.,5.4.1 工程應(yīng)用實例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,（3）在熱傳導(dǎo)分析時，其1／4邊界上沒有對流，參考溫度定為25℃。圖11是熱傳導(dǎo)分析時，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)用實例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析,自然

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

40、散和濕應(yīng)力分析,將微電子封裝仿真自動化系統(tǒng)對MLP 6×6封裝模型進行濕氣擴散分析和濕應(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 工程實例應(yīng)用—濕氣擴散和濕應(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，材料有不同的擴散系數(shù)D和飽和濕度C。濕氣處理的時間一般為168h、96h、48h、36h、24h、12h，

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

42、析,85℃／85％RH潮濕環(huán)境條件下經(jīng)過96h的吸濕時間后，應(yīng)力情況,5.4.3 工程應(yīng)用實例——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)上進行的。在封裝產(chǎn)品處于回流溫度分析過程中，在封裝體內(nèi)吸收的濕氣會變成水蒸氣，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 。計算得到 𝐶 𝑠𝑎𝑡 ≈41 𝜌 𝑒𝑥𝑡 。該關(guān)系式直觀地說明，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凝結(jié)成水，因此材料所吸收的濕氣將會以氣／液混合狀態(tài)存在。,5.4.3 工程應(yīng)用實例——蒸汽壓力分析,ANSYS Workbench中

45、沒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計算蒸汽壓力分析程序．,5.4.3 工程應(yīng)用實例——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℃的回流溫度中時的蒸汽壓力分布情況。發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過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 封裝模型的仿真實驗設(shè)計,利用微電子封裝仿

46、真自動化系統(tǒng)計算封裝模型在不同材料參數(shù)的結(jié)果，通過這一系列的計算比較，設(shè)計人員和用戶可以對封裝模型進行優(yōu)化設(shè)計，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。為了易于比較，選用了MLP 6×6模型來分析比較。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 封裝模型的仿真實驗設(shè)計,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 封裝模型的仿真實驗設(shè)計,在本例中，黏結(jié)層的黏結(jié)強度為12MPa，芯片的抗拉強度為200MPa，環(huán)氧樹脂的

49、抗拉強度為120MPa。通過這一系列的分析，可看出第6種設(shè)計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)計方案。,5.5 正交實驗設(shè)計,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理5.5.2 Workbench 熱應(yīng)力分析,5.5 正交試驗設(shè)計,對于單因素或兩因素試驗，因其因素少 ，試驗的設(shè)計 、實施與分析都比較簡單 。但在實際工作中 ，常常需要同時考察 3個或3個以上的試驗因素 ，若進行全面試驗 ，則試驗的規(guī)模將很大 ，往往因

50、試驗條件的限制而難于實施 。正交試驗設(shè)計就是安排多因素試驗 、尋求最優(yōu)水平組合 的一種高效率試驗設(shè)計方法。,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,正交試驗設(shè)計是利用正交表來安排與分析多因素試驗的一種設(shè)計方法。它是由試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗的，通過對這部分試驗結(jié)果的分析了解全面試驗的情況，找出最優(yōu)的水平組合。,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,因素和水平根據(jù)實驗條件決定，例：分化酸堿滴定實驗——

51、測定石灰水中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 正交試驗設(shè)計的概念及原理,例如，要考察增稠劑用量、pH值和殺菌溫度對豆奶穩(wěn)定性的影響。每個因素設(shè)置3個水平進行試驗 。 A因素是增稠劑用量，設(shè)A1、A2、A3 3個水平；B因素是pH值，設(shè)

52、B1、B2、B3 3個水平；C因素為殺菌溫度，設(shè)C1、C2、C3 3個水平。這是一個3因素3水平的試驗，各因素的水平之間全部可能組合有27種 。 全面試驗：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。但全面試驗包含的水平組合數(shù)較多，工作量大 ，在有些情況下無法完成 。 若試驗的主要目的是尋求最優(yōu)水平組合，則 可利用正交表來設(shè)計安排試驗。,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,正交試驗設(shè)計的基本特點是

53、：用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結(jié)果的分析，了解全面試驗的情況。 正因為正交試驗是用部分試驗來代替全面試驗的，它不可能像全面試驗?zāi)菢訉Ω饕蛩匦?yīng)、交互作用一一分析；當(dāng)交互作用存在時，有可能出現(xiàn)交互作用的混雜。雖然正交試驗設(shè)計有上述不足，但它能通過部分試驗找到最優(yōu)水平組合 。,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,如對于上述3因素3水平試驗，若不考慮交互作用，可利用正交表L9(34)安排，試驗方案僅包含9個水平組合，就能反映

54、試驗方案包含27個水平組合的全面試驗的情況，如果是3因素4水平，試驗方案僅包含9個水平組合，就能反映試驗方案包含81個水平組合的全面試驗的情況，這加快了實驗進程，并能找出最佳的生產(chǎn)條件。,L9（34）,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,正交設(shè)計就是從選優(yōu)區(qū)全面試驗點（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗點（水平組合）來進行試驗。圖10-1中標有試驗號的九個“(·)”，就是利用正交表L9(34)從27個試驗點中挑選出來的9個

55、試驗點。即：(1)A1B1C1 (2)A2B1C2 (3)A3B1C3(4)A1B2C2 (5)A2B2C3 (6)A3B2C1(7)A1B3C3 (8)A2B3C1 (9)A3B3C2,下一張,主 頁,退 出,上一張,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,上述選擇 ，保證了A因素的每個水平與B因素、C因素的各個水平在試驗中各搭配一次 。對于A

56、、B、C 3個因素來說 ， 是在27個全面試驗點中選擇9個試驗點 ，僅 是全面試驗的 三分之一。 從下可以看到 ，9個試驗點在選優(yōu)區(qū)中分布是均衡的，在立方體的每個平面上 ，都恰是3個試驗點；在立方體的每條線上也恰有一個試驗點。 9個試驗點均衡地分布于整個立方體內(nèi) ，有很強的代表性 ， 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 面試驗水平組合數(shù)為33=27，4 因素

57、3水平的全面試驗水平組合數(shù)為34=81 ，5因素3水平的全面試驗水平組合數(shù)為35=243，這在科學(xué)試驗中是有可能做不到的。,,,,,,,,,,,La（bc）,正交設(shè)計,試驗總次數(shù)，行數(shù),因素水平數(shù),因素個數(shù)，列數(shù),等水平正交表 La（bc）,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,5.5.1 正交試驗設(shè)計的概念及原理,常用的正交表已由數(shù)學(xué)工作者制定出來，供進行正交設(shè)計時選用。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 正交試驗設(shè)計的基本程序,試驗?zāi)康呐c要求,試驗指標,選因素、定水平,因素、水平確定,選擇合適正交表,表頭設(shè)計,列試驗方案,,,,,,,試驗結(jié)

59、果分析,進行試驗，記錄試驗結(jié)果,試驗結(jié)果極差分析,計算K值,計算k值,計算極差R,繪制因素指標趨勢圖,優(yōu)水平,因素主次順序,優(yōu)組合,結(jié) 論,,,,,,,,,,,,,試驗結(jié)果方差分析,,列方差分析表，進行F 檢驗,計算各列偏差平方和、自由度,分析檢驗結(jié)果，寫出結(jié)論,,,,5.5.2 正交試驗設(shè)計的基本程序,試驗方案設(shè)計（1） 明確試驗?zāi)康模_定試驗指標 試驗設(shè)計前必須明確試驗?zāi)康?，即本次試驗要解決什么問題。試驗?zāi)康拇_定后，對試驗結(jié)

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

61、標影響大的因素、尚未考察過的因素、尚未完全掌握其規(guī)律的因素為先。試驗因素選定后，根據(jù)所掌握的信息資料和相關(guān)知識，確定每個因素的水平，一般以2-4個水平為宜。對主要考察的試驗因素，可以多取水平，但不宜過多（≤6），否則試驗次數(shù)驟增。因素的水平間距，應(yīng)根據(jù)專業(yè)知識和已有的資料，盡可能把水平值取在理想?yún)^(qū)域。,5.5.2 正交試驗設(shè)計的基本程序,（3） 選擇合適的正交表 正交表的選擇是正交試驗設(shè)計的首要問題。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，以減少試驗次數(shù)。 一般情況下，試驗因素的水平數(shù)應(yīng)等于正交表中的水平數(shù)；因素個數(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，以便估計試驗誤差。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)正交試驗來估計試驗誤差。,L

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

64、律和趨勢，為進一步試驗指明方向；了解各因素之間的交互作用情況；估計試驗誤差的大小。,按下表安排實驗，完成實驗,實驗分析：每兩個試驗都有兩個條件不同，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,1）計算因素1（加熱溫度℃）的變化導(dǎo)致指標變動,2、因素影響指標的主次加熱溫度℃ 保溫時間 出爐溫度℃ (通過R)3、因素的最佳搭配 800 8 400,因素對指標的影