Flip Chip封装芯片热-力耦合分析-基于FloEFD和Simcenter 3D

在高性能芯片封装中，热-力耦合效应对芯片及互连结构的可靠性有重要影响，因此，准确预测和评估温度场与应力场之间的相互作用，是提升封装可靠性与优化设计方案的关键环节。这篇文章将介绍基于Simcenter FloEFD与Simcenter 3D的热-力协同仿真流程，帮助工程师们在设计早期评估温度分布、热应力、疲劳寿命等关键性能指标。

仿真流程概览

Simcenter FloEFD 特点与优势

Simcenter FloEFD是完全嵌入三维CAD软件环境的通用流体传热分析软件，具有以下关键技术优势：

1. 直接嵌入三维CAD软件环境：工程师可以在熟悉的CAD界面中完成流体和传热分析；

2. 快速自动网格划分&求解的SmartCells™技术：自动划分流/固体网格，求解过程中网格自适应加密，可精确捕捉复杂几何特征；

3. 高度自动化：自动模拟层流-湍流，采用修正的壁面函数，自动收敛；

4. 易上手：非CFD专业背景的机械／电子产品工程师也能快速掌握使用。

几何准备

ECAD to MCAD

Package Creator

FloEFD的Package Creator封装模型生成器可以帮助用户通过参数换定义器件的封装尺寸等信息自动生成精确的封装器件热模型，该模型包含详细的3D几何结构和材料属性，不需要重新建模。

以Flip Chip为例，模型包括Lid、Die Attach、Die、FC Bumps、Substrate、Solder Balls多层结构。

Package Creator – 生成Flip Chip

在FloEFD中设置边界条件

下一步，从 Package Creator 中导入材料，在仿真中设置热传导、热对流、热辐射和重力等边界条件。

Calibration模型校准

工程师在仿真过程中，由于对器件内部结构不了解，所使用的封装特性参数（例如热阻、导热系数、芯片尺寸等）可能与实际情况不同，会造成仿真结果与真实模型的偏差。

通过Simcenter T3STER SI热瞬态测试仪与Simcenter FloEFD之间的联合校准，可以确保仿真结果的准确性。

积分结构函数

结构函数是将器件封装结构可视化的函数。T3STER SI将热瞬态测试结果转变为热阻热容函数，直观展示了结到环境热流传导路径上的每一层物理材料的详细热学信息。

基于结构函数校准仿真模型

将T3STER SI热瞬态测试仪的实测的结构函数导出给Simcenter FloEFD，调整模型参数以匹配实测数据的响应曲线。

经过校准的热模型，在时间和空间上提供大于99%的温度预测精度，从而确保仿真结果的准确性，缩短设计周期，降低后续可靠性验证的成本。

而如果模型未经过校准，则可能导致：

• 过度设计：当模型误差被识别时，为了安全起见而设计得过于保守；
• 设计不足：当误差未被识别时，可能造成更多的现场失效；
• 设计周期延长：如首批物理样机不符合预期，需要额外的迭代验证。

Simcenter FloEFD 校准设置与结果

FloEFD 模型 – 瞬态仿真时间步长设置

计算中使用的物理时间应与实测响应时间相匹配。

校准设置

结构函数校准

热循环Thermal Cycle

热循环边界条件

仿真结果

• -网格单元数：约 120 万个
• -网格生成时间：少于 2 分钟
• -求解时间：约 25 分钟

热通量图Flux Plot

Flux Plot 用于展示元器件之间的热通量（包括热对流、热传导、热辐射）分布情况。Flux Plot支持按元器件或功率筛选，分组显示，可导出为 Excel表格或图片格式。

Simcenter 3D 结构仿真

从 Simcenter FloEFD 导出FLD格式数据

FloEFD可将随时间变化的温度场以FLD格式导出到 Simcenter 3D，在 Simcenter 3D 中存储并应用稳态或瞬态温度场。

Simcenter FloEFD 中的结构仿真

在Simcenter FloEFD 中的结构仿真项目可导出为Nastran 文件。
可以自动生成六面体网格，并导出材料特性、粘接接触、约束条件及载荷（可以是常量或FloEFD计算结果）。
导出前需完成一次求解计算，会生成一个*.dat的附加结果文件。

• 网格设置时间：约 3 分钟
• 网格生成时间：约 8 分钟

Simcenter 3D 蠕变分析设置、Simcenter 3D 蠕变分析结果、Creep Strain（2.5 个热循环）、Von-Mises等效应力与位移（2.5 个热循环）、Simcenter 3D 疲劳分析设置、Simcenter 3D 疲劳分析结果 (Duty Cycles)、Simcenter 3D 疲劳分析结果 (疲劳损伤与最大应力)的视频演示请查看：https://mp.weixin.qq.com/s/0NEFfpUDJbfu5wb2PvM18w