研讨会精华分享一：仿真测试技术在微电子封装中的应用

11月16日，由深圳市有限元科技有限公司&达索系统Simulia联合主办的“第二届电子产品性能设计提升研讨会”，在深圳深航酒店成功召开。此次“电子产品性能设计提升”主题研讨会，旨在通过会议搭建一个开放的技术交流平台，分享电子产品设计方面的成果与经验，共同探讨电子领域面临的技术难题。以下，将为大家分享会议精华一：仿真测试技术在微电子封装中的应用（中电38所研究员王志海老师报告）。

电子封装是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。封装研究在全球范围的发展是如此迅猛，而它所面临的挑战和机遇也是自电子产品问世以来所从未遇到过的；封装所涉及的问题之多之广，也是其它许多领域中少见的，它是从材料到工艺、从无机到聚合物、从大型生产设备到计算力学等一门综合性非常强的新型高科技学科。那么仿真测试技术在微电子仿真中起到哪些作用呢？

 微电子封装目的：

→ 保护芯片（力）

→ 提供功率和信号传输（电）

→ 芯片散热（热）

→ 方便测试和上板

 微电子封装技术层次：

→ Level 0(晶圆级)：芯片级互连

→ Level 1(芯片级)：芯片级封装（Chip Leve Pcakaging）

→ Level 2(组装级)：将若干个模块与其他电子元器件组成一个电路（Card）的工艺

→ Level 3(板级)：将若干个Card组合在一个主电路板（Board）上，形成一个部件或者子系统的工艺

 微电子封装难点与问题：

1、封装热-力-电耦合问题突出

→ 温度影响材料力-电性能、影响器件电性能

→ 温度应力、机械应力导致链接界面失效、影响传输性能

①正常工作→信号传输时温升显著→材料物性、器件性能，结构变形→影响电特性

②外部环境（振动温度）→结构变形→影响电特性

③封装工艺偏差→传输性能降低（损耗增大）、热量增加→温度升高→结构变形、失效→影响电特性

④元器件数量、材料体系复杂、封装界面多→可靠性降低

2、传统封装设计模式“试-错”为主，研发周期长、成本高

→ 缺少正向设计手段，小批量试制+可靠性增长（失效分析+改进）

→ 可靠性增长试验设计缺少量化指导，加速试验设计缺乏理论指导

→ 工艺参数、链接构型、热力性能、失效模式无对应关系，改进预测难

3、封装仿真设计介入有限

→ 材料体系-焊料、导电胶（温度相关、时效相关、非线性） | 缺少准确的热力本构

→ 连接构型-构型表征 | 缺少准确的物理构型

→ 载荷边界-回流焊、键合、振动、冲击、温循、老练 | 缺少准确的载荷边界处理

→ 结果评估-本体、界面（强度、失效、寿命） | 缺少准确的评估方法

→ 设计知识和经验难以共享（传承性差）

→ 借助商用软件、学科分离串行、迭代（效率低）

→ 多尺度建模（要求高）

→ 商用软件二次开发（使用难）

→ 可靠性仿真（评估难）

 封装设计流程图：

1、方案阶段：

电性能完整性

热性能完整性

2、详细设计阶段：

结构安全性

3、工艺制造阶段：

典型封装工艺

典型组装工艺

可制造性设计

4、可靠性评估

器件级

板级

5、失效分析与评估

板理分析

设计优化

 封装失效机理：

- 本质上就是一场本体耐受力和外部载荷的拔河比赛

 封装设计仿真应用案例：

案例1：芯片老练阻值异常

- 导电胶封装工艺导致阻值异常

- 阻值异常导致焦耳热产生异常温升

- 热力不匹配家具阻值异常

案例2：陶瓷引脚失效分析

- 热力不匹配

- 优化引脚构型

- 优化传热方式

案例3：大电容移位封装失效

- 开展附着力试验，提取离散数据统计规律

- 建立匹配试验的仿真模型，建立界面评估准则

- 优化焊接界面构型，定义焊盘评估标准，规范外协质量

案例4：某列线源焊接工艺优化设计

- 焊接降温、空气冷却

- 优化工装

- 优化反变形

- 优化材料体系

案例5：TSV封装仿真DOE试验设计

- 优化工装、反变形、材料体系

 封装仿真测试畅想：

一、封装仿真设计如何能仿准？

封装仿真设计有着很大的难度和诸多不确定的因素，而仿真只有在准确性达标的情况下才能大面积推广，以下因素是我们仿真准确与否的重要关注点:

- 准确的材料体系

①弹塑性、蠕变       自测、联盟、资源共享

- 准确的便捷描述

①工艺过程的科学表征     热源分布、温度分布

②科学表征对应工具识别载荷     载荷库+定制模板

- 机电热耦合机理

①提炼机热、机电、热电、机电热耦合关系     机理分析

②规范机热、机电、热电、机电热耦合仿真模板     仿真模板

- 可靠的仿真工具

①嵌入工程知识     知识+定制模板

②嵌入式盐修正     仿真测试相关

- 有效的样机验证

①过程检测与性能评估    系统测试+内部推演

二、工艺能预测吗？

工艺大部分时候都是基于经验去做的，如为什么用某个温度曲线，为什么要用该焊料尺寸形态等,是一种偏经验化的设计。工艺是否能够变得与结构仿真类似一样，通过偏正向设计的方法来完成呢？以下因素是我们实现工艺正向化设计的关键:

- 工艺参数能科学量化表征

①封装工艺分类   焊接、胶结、键合

②封装工艺参数表征   温度曲线、焊接种类、焊接厚度、温湿角、工装形式

- 工艺参数与性能关系能映射

①工艺参数的科学表征     知识经验+科学识别

②性能参数的科学表征     性能表征体系+试验数据

- 已知性能能预测工艺吗？

①既定目标的反演     数据挖掘

②工艺参数的实操     过程控制

③预测与实操的修正     虚实相关

封装技术作为信息产业的重要基础在在产品中发挥着很大的作用，现代电子信息产业的竞争在某种意义上主要就是电子封装业的竞争，它在一定程度上决定着现代工业化的水平。CAE仿真技术在封装中的应用对产品性能、可靠性、寿命、成本等方面的提高有着不容忽视的重要作用。当然，芯片封装的仿真分析应用中还有许多很深入、复杂并极具挑战性的难题，需要多门学科的理论和方法的综合应用。面对这些挑战，元王愿与业内专家共同努力解决难题。