CFD与模流分析在薄式电子封装中的设计与分析

CFD与模流分析在薄式电子封装中的设计与分析


CFD 与模流分析在薄式电子构装设计与分析研究
Applications of CFD and Mold Flow in the Design and Analysis of Thin Type IC Packages
研 究 生：罗世闵 Si-Min Lo
指导教授：张嘉隆 Dr. Chia-Lung Chang
国立云林科技大学 机械工程技术研究所 硕士论文
A Thesis Submitted to Institute of Mechanical Engineering
National Yunlin University of Science and Technology
In Partial Fulfillment of the Requirements
For the Degree of Master of science In Mechanical Engineering
June 2001  Douliu, Yunlin, Taiwan, Republic of China

中华民国九十年六月八日

目 录
中文摘要- i
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志谢
目录
表目录
图目录
符号说明
第一章 绪论
1.1 半导体产业概况
1.2 电子构装技术制程
1.3 电子构装分类与展望
1.4 文献回顾- -
第二章 研究理论基础
2.1 ANSYS 模拟方法-
2.1.1 FEM 热场分析-假设条件-
2.1.2 CFD 流场分析-假设条件
2.2 热场实验风洞介绍
2.3 实验环境条件
2.3.1 自然对流 (natural convection)
2.3.2 强制对流 (forced convection)-
2.4 风洞实验步骤
2.4.1 自然对流(natural convection)之热阻量测
2.4.2 强迫对流(forced convection)之热阻量测
2.5 建立仿真分析风洞模型-流场分析
2.6 构装体(package)模型简化
2.6.1 芯片座(pad)简化设计
2.6.2 导线架(lead frame)简化设计
2.6.3 金线简化设计
2.6.4 银胶(die attach)简化设计
2.7 模流分析
2.8 几何模型的建构技巧-
2.9 模流分析项目

表 目 录
表1.1 全球半导体市场规模-2
表1.2 我国IC 产业在全球的地位(供给面) 2
表1.3 1998 年ETP 对未来五年不同封装型态数量及复合成长率的预测7
表4.1 代表TSOP50 结构之材料性质40
表4.2 PQFP 各部份材料性质43
表4.3 LQFP208 材料性质46
表5.1 挤杆位置设定数据56
表5.2 Bare Frame 翘曲量测64
表5.3 Wire bonding 翘曲量测
表5.4 Molding 翘曲量测
表5.5 平均翘曲量比较66-
表5.6 六组芯片量测翘曲量71-
表5.7 六组芯片平均翘曲量71-

图 目 录
图1.1 半导体设备后段制程-IC 封装流程-
图1.2 封胶作业流程
图1.3 电子构装技术演变图
图1.4 新型电子构装结构简介-
图2.1 ANSYS 分析程序
图2.2 风洞实验设备
图2.3 密闭空间实验配置图
图2.4 密闭空间内支撑架配置图
图2.5 风洞配置图
图2.6 风洞内支撑架配置图
图2.7 强迫对流示意图
图2.8 分析仿真风洞之半模型示意图
图2.9 芯片座几何形状简化设计
图2.10 芯片座位置简化设计-
图2.11 导线架简化设计
图2.12 内脚导线架简化设计
图2.13 外脚导线架简化设计
图2.14 浇口示意图-
图2.15 充填过程造成缺陷
图2.16 短射实验示意图
图2.17 阴影迭纹量测仪器示意图
图2.18 量测仪器示意图
图2.19 模流分析流程图-
图3.1 一维热传导分析的体积元素
图3.2 三维热传导分析的体积元素直角坐标
图3.3 热对流表面在层流下温度与速度分布图
图3.4 Delco 测试芯片
图3.5 为电压─温度特性曲线
图4.1 Fluid 142 3D Fluid-Thermal Element
图4.2 Solid70 3D Thermal Solid Element
图4.3 平板之边界层示意图
图4.4 水平板之热对流方向
图4.5 TSOP50 三角网格示意图
图4.6 TSOP50 热场分析(1.04w)-温度分布

CFD 与模流分析在薄式电子构装设计与分析研究
学生：罗世闵 指导教授：张嘉隆
国立云林科技大学机械工程系研究所

摘要
本论文在电子构装热传分析应用有限元素方法探讨构装体之热场及流场问题，先使用固体模型及传统热对流经验公式预测电子构装体热场行为，再利用CFD软件仿真电子构装体在风洞实验的热场和流场分布情况；经由预测与实验量测热阻值比对结果，CFD 模拟风洞实验较能准确预测实验热阻值，并探讨构装体设计参数对热场的影响。
构装模流分析可区分为三大部分，第一部分：以实际短射实验验证计算机仿真胶体充填过程波前分布准确性，建立可靠模流分析模型。第二部分：探讨芯片与芯片座比例和down-set 深度对流动波前的影响。第三部分：观察不同实验芯片大小造成胶体流动波前差异，所产生赛马现象对TSOP40 表面翘曲和芯片座偏移量的影响。TSOP 结果显示，计算机仿真分析能有效地预测流动波前形状、芯片座偏移量和气孔缺陷，当实验芯片与芯片座尺寸较接近，较能缓和赛马现象，使得表面翘曲和芯片座偏移量也逐渐下降趋势。
关键词：CFD、热阻、模流分析、波前、短射实验、翘曲、芯片座偏移