CFD 與模流分析在薄式電子構(gòu)裝設(shè)計(jì)與分析研究

admin 2011-08-26

CFD 與模流分析在薄式電子構(gòu)裝設(shè)計(jì)與分析研究
Applications of CFD and Mold Flow in the Design and Analysis of Thin Type IC Packages
研究生：羅世閔 Si-Min Lo
指導(dǎo)教授：張嘉隆 Dr. Chia-Lung Chang
國(guó)立云林科技大學(xué) 機(jī)械工程技術(shù)研究所碩士論文
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

中華民國(guó)九十年六月八日

目錄
中文摘要- i
英文摘要-
志謝
目錄
表目錄
圖目錄
符號(hào)說(shuō)明
第一章緒論
1.1 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)概況
1.2 電子構(gòu)裝技術(shù)制程
1.3 電子構(gòu)裝分類與展望
1.4 文獻(xiàn)回顧- -
第二章研究理論基礎(chǔ)
2.1 ANSYS 模擬方法-
2.1.1 FEM 熱場(chǎng)分析-假設(shè)條件-
2.1.2 CFD 流場(chǎng)分析-假設(shè)條件
2.2 熱場(chǎng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞介紹
2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件
2.3.1 自然對(duì)流 (natural convection)
2.3.2 強(qiáng)制對(duì)流 (forced convection)-
2.4 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)步驟
2.4.1 自然對(duì)流(natural convection)之熱阻量測(cè)
2.4.2 強(qiáng)迫對(duì)流(forced convection)之熱阻量測(cè)
2.5 建立仿真分析風(fēng)洞模型-流場(chǎng)分析
2.6 構(gòu)裝體(package)模型簡(jiǎn)化
2.6.1 芯片座(pad)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
2.6.2 導(dǎo)線架(lead frame)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
2.6.3 金線簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
2.6.4 銀膠(die attach)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
2.7 模流分析
2.8 幾何模型的建構(gòu)技巧-
2.9 模流分析項(xiàng)目

表目錄
表1.1 全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模-2
表1.2 我國(guó)IC 產(chǎn)業(yè)在全球的地位(供給面) 2
表1.3 1998 年ETP 對(duì)未來(lái)五年不同封裝型態(tài)數(shù)量及復(fù)合成長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)7
表4.1 代表TSOP50 結(jié)構(gòu)之材料性質(zhì)40
表4.2 PQFP 各部份材料性質(zhì)43
表4.3 LQFP208 材料性質(zhì)46
表5.1 擠桿位置設(shè)定數(shù)據(jù)56
表5.2 Bare Frame 翹曲量測(cè)64
表5.3 Wire bonding 翹曲量測(cè)
表5.4 Molding 翹曲量測(cè)
表5.5 平均翹曲量比較66-
表5.6 六組芯片量測(cè)翹曲量71-
表5.7 六組芯片平均翹曲量71-

圖目錄
圖1.1 半導(dǎo)體設(shè)備后段制程-IC 封裝流程-
圖1.2 封膠作業(yè)流程
圖1.3 電子構(gòu)裝技術(shù)演變圖
圖1.4 新型電子構(gòu)裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介-
圖2.1 ANSYS 分析程序
圖2.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備
圖2.3 密閉空間實(shí)驗(yàn)配置圖
圖2.4 密閉空間內(nèi)支撐架配置圖
圖2.5 風(fēng)洞配置圖
圖2.6 風(fēng)洞內(nèi)支撐架配置圖
圖2.7 強(qiáng)迫對(duì)流示意圖
圖2.8 分析仿真風(fēng)洞之半模型示意圖
圖2.9 芯片座幾何形狀簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
圖2.10 芯片座位置簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)-
圖2.11 導(dǎo)線架簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
圖2.12 內(nèi)腳導(dǎo)線架簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
圖2.13 外腳導(dǎo)線架簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
圖2.14 澆口示意圖-
圖2.15 充填過(guò)程造成缺陷
圖2.16 短射實(shí)驗(yàn)示意圖
圖2.17 陰影迭紋量測(cè)儀器示意圖
圖2.18 量測(cè)儀器示意圖
圖2.19 模流分析流程圖-
圖3.1 一維熱傳導(dǎo)分析的體積元素
圖3.2 三維熱傳導(dǎo)分析的體積元素直角坐標(biāo)
圖3.3 熱對(duì)流表面在層流下溫度與速度分布圖
圖3.4 Delco 測(cè)試芯片
圖3.5 為電壓─溫度特性曲線
圖4.1 Fluid 142 3D Fluid-Thermal Element
圖4.2 Solid70 3D Thermal Solid Element
圖4.3 平板之邊界層示意圖
圖4.4 水平板之熱對(duì)流方向
圖4.5 TSOP50 三角網(wǎng)格示意圖
圖4.6 TSOP50 熱場(chǎng)分析(1.04w)-溫度分布

CFD 與模流分析在薄式電子構(gòu)裝設(shè)計(jì)與分析研究
學(xué)生：羅世閔指導(dǎo)教授：張嘉隆
國(guó)立云林科技大學(xué)機(jī)械工程系研究所

摘要
本論文在電子構(gòu)裝熱傳分析應(yīng)用有限元素方法探討構(gòu)裝體之熱場(chǎng)及流場(chǎng)問(wèn)題，先使用固體模型及傳統(tǒng)熱對(duì)流經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)電子構(gòu)裝體熱場(chǎng)行為，再利用CFD軟件仿真電子構(gòu)裝體在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的熱場(chǎng)和流場(chǎng)分布情況；經(jīng)由預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)量測(cè)熱阻值比對(duì)結(jié)果，CFD 模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)較能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)熱阻值，并探討構(gòu)裝體設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熱場(chǎng)的影響。
構(gòu)裝模流分析可區(qū)分為三大部分，第一部分：以實(shí)際短射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)仿真膠體充填過(guò)程波前分布準(zhǔn)確性，建立可靠模流分析模型。第二部分：探討芯片與芯片座比例和down-set 深度對(duì)流動(dòng)波前的影響。第三部分：觀察不同實(shí)驗(yàn)芯片大小造成膠體流動(dòng)波前差異，所產(chǎn)生賽馬現(xiàn)象對(duì)TSOP40 表面翹曲和芯片座偏移量的影響。TSOP 結(jié)果顯示，計(jì)算機(jī)仿真分析能有效地預(yù)測(cè)流動(dòng)波前形狀、芯片座偏移量和氣孔缺陷，當(dāng)實(shí)驗(yàn)芯片與芯片座尺寸較接近，較能緩和賽馬現(xiàn)象，使得表面翹曲和芯片座偏移量也逐漸下降趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：CFD、熱阻、模流分析、波前、短射實(shí)驗(yàn)、翹曲、芯片座偏移

符號(hào)說(shuō)明
q :熱傳遞速率
q :每單位體積所產(chǎn)生的能量，
f k :流體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W /m °C
c h :對(duì)流熱傳遞系數(shù)（convection heat -transfer coefficient）W /m2 °C
s:史蒂芬－波次曼常數(shù)(Stefan-Boltzmann Constant)
j T ：待測(cè)點(diǎn)的溫度
a T ：環(huán)境溫度
P :組件功率
H:熱對(duì)流系數(shù)
L:封膠尺寸
T:構(gòu)裝體表面溫度與環(huán)境溫度差
K:熱傳導(dǎo)系數(shù)
Re:雷諾數(shù)
Pr:Prandtl number
DT :表面與環(huán)境溫度差
P :特征長(zhǎng)度
f,n:經(jīng)驗(yàn)因子
V:空氣流速（m/s）
L:流動(dòng)方向上的封裝長(zhǎng)度（m）
r:密度