穿孔式高增益光電系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種穿孔式高增益光電系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是該封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：封裝結(jié)構(gòu)的三維建模、結(jié)構(gòu)模型的熱疲勞分析和協(xié)同仿真以及調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多次循環(huán)收斂的對比驗(yàn)證，直至選取到電磁和熱疲勞性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)束優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)化過程簡便，仿真周期短，參數(shù)提取精確，從而降低失效的可能性，為制作工藝提供參考依據(jù)，而且使用方便、直觀、高效，有效降低封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本。
【專利說明】穿孔式高增益光電系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微納器件的光電封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種穿孔式高增益光電系 統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來，微納器件已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但是很多芯片卻沒有作為產(chǎn)品得到實(shí) 際應(yīng)用，其原因之一是沒有解決封裝問題。硅通孔技術(shù)（TSV，Through-Silicon-Via)是第 四代封裝技術(shù)，是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互 連的最新技術(shù)。與以往的IC封裝鍵合和使用凸點(diǎn)的疊加技術(shù)不同，TSV能夠使芯片在三維 方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。部分研究亦 在芯片的周邊進(jìn)行通孔，然后進(jìn)行芯片或晶圓的層疊。由于微納器件封裝難度較大，不能簡 單地用集成電路封裝技術(shù)直接去封裝微納器件。在芯片與基板通過焊柱壓焊過程中，需要 進(jìn)行熱一力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過疲勞分析優(yōu)化，準(zhǔn)確判斷決定凸點(diǎn)與基板焊接效果，并且準(zhǔn) 確定位基板與凸點(diǎn)的倒裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)，以增強(qiáng)封裝結(jié)構(gòu)可靠性。在硅通孔技術(shù)（TSV) 的制作和使用過程中，TSV需要承受不同的溫度循環(huán)，由于轉(zhuǎn)接板上材料的熱膨脹系數(shù)的 不匹配性，其界面處容易發(fā)生開裂和分層而導(dǎo)致失效。為了延長使用壽命，需要優(yōu)化出最佳 的通孔尺寸使得其應(yīng)力最小，從而降低失效的可能性。
[0003]目前，在TSV技術(shù)的光電封裝結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力+電磁串?dāng)_優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，業(yè)界均未有 系統(tǒng)地分析方法，一般直接靠操作者憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)的參數(shù)設(shè)置與調(diào)整。曾有研究者針對 某些壓焊部位進(jìn)行ANSYS仿真，但未能有熱疲勞與電磁特性聯(lián)合驗(yàn)證設(shè)計(jì)的全盤考慮。也 有研究者采用基于并行自適應(yīng)有限元的方法進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的建模與分析，但此類方法過程復(fù) 雜，上手慢，提取參數(shù)不夠簡便高效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種穿孔式高增益光電系統(tǒng)級封 裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用ANSYS二維仿真直觀地獲得施加載荷后的TSV變形和整體 結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及溫度分布，將獲得的熱疲勞特性參數(shù)用ANSYS電磁仿真模塊和ADS軟件分別 驗(yàn)證這個(gè)結(jié)構(gòu)的串?dāng)_特性，最后選取電磁和熱疲勞綜合效果最好的尺寸組合，從而降低失 效的可能性，為制作工藝提供可靠的參考依據(jù)，參數(shù)提取精確、高效，仿真周期短，優(yōu)化過程 簡便，進(jìn)一步降低封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種穿孔式高增益光電系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu) 化設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是按下述步驟進(jìn)行封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)： (一)、封裝結(jié)構(gòu)的三維建模 采用ANSYS有限元軟件建立微納器件的二維封裝結(jié)構(gòu)模型，然后采用360度旋轉(zhuǎn)立體 技術(shù)將二維仿真結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為三維仿真結(jié)構(gòu)。
[0006](二)、結(jié)構(gòu)模型的熱疲勞分析 a、將上述三維仿真結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格化設(shè)置，對劃分的網(wǎng)格單元采用有限元法疊加進(jìn) 行溫度場模式的載荷分析，將求解得到的"最大溫差"等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0007]b、對劃分的網(wǎng)格單元采用有限元法疊加進(jìn)行壓焊力模式的載荷分析，將求解、收 斂得到"疲勞循環(huán)次數(shù)"等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0008]c、將上述三維仿真結(jié)構(gòu)模型采用TSV再仿真，然后在ANSYS有限元軟件中建立不 同通孔直徑下的四分之一TSV模型，在滿足屈曲臨界壓力值的情況下進(jìn)行77~300K大溫差 下的載荷分析，將求解得到的"TSV通孔大溫差下的臨界壽命"等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0009](三)、協(xié)同仿真 將上述三維仿真結(jié)構(gòu)模型采用ANSYS的電磁仿真出電磁分布彩圖，然后對電磁分布集 中區(qū)域的銦柱、焊盤、通孔、傳輸線間距和基板厚度的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用ADS軟件進(jìn)行電磁串?dāng)_ 的協(xié)同仿真，并將ADS仿真結(jié)果進(jìn)行存儲。
[0010] (四）、協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì) 對上述熱疲勞分析和協(xié)同仿真結(jié)果匯總列表進(jìn)行分析，然后調(diào)整銦柱、焊盤、通孔、傳 輸線間距和基板厚度的結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述步驟(二)~ (三)進(jìn)行多次循環(huán)收斂的對比驗(yàn)證， 直至選取到電磁和熱疲勞性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)束優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)化過程簡便，仿真周期短，參數(shù)提取精確，從而降低 失效的可能性，為制作工藝提供參考依據(jù)，而且使用方便、直觀、高效，有效降低封裝結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)成本。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 通過以下具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0013](一 )、封裝結(jié)構(gòu)的三維建模 (1)、在ANSYS有限元軟件中建立模型，分析中采用PLANE42單元，在Main Menu-Preprocess-elementtype中設(shè)置。
[0014](2)、生成基座部分的長方體：單擊MainMenu-Preprocess-Create-Volumes- Block-ByDimensions，輸入尺寸，然后單擊[OK]，得長方體基座。平移并旋轉(zhuǎn)工作平面： UtilityMenu-WorkPlane-OffsetWPbyIncrementsX,Y,ZOffsets輸入坐標(biāo)，點(diǎn) 擊[Apply]，XY，YZ，ZXAngles輸入角度，單擊[0K]。
[0015](3)、創(chuàng)建圓柱體銦焊柱：單擊MainMenu-Preprocessor-Modeling-Crea te-Volumes-Cylinder-SolidCylinder,輸入尺寸，單擊[OK]。得到一個(gè)圓柱體， 拷貝生成另一個(gè)圓柱體：MainMenu-Preprocessor-Modeling-Copy-Volume 拾取圓柱體，單擊Apply，單擊[OK]?？截惿闪硪粋€(gè)圓柱體完成。
[0016](4)、從長方體中減去兩個(gè)圓柱體：MainMenu-Preprocessor-Modeling- Operate-Booleans-Subtract-Volumes，首先拾取長方體，單擊[Apply]，然后拾 取減去的兩個(gè)圓柱體，單擊[0K]。
[0017] (5)、通過先設(shè)置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)keypoint，再用線line連成不規(guī)則圖形的方式，在上面 得到的圖形中加上系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)指定的傳輸線、中間板和焊盤樣式： 傳輸線：MainMenu-Preprocessor-Create-keypoints-on workplane-line; 焊盤：MainMenu-Preprocessor-Create-keypoints-on workplane-rectangle; 中間板：MainMenu-Preprocessor-Create-area-rectangle。
[0018] (6)、執(zhí)行Plotctrls-Style-Symmatry Expansion- 2D,就將二維結(jié)構(gòu)繞Y 軸旋轉(zhuǎn)360度，轉(zhuǎn)為三維立體模型。根據(jù)上述第（I)到第（5)步驟的二維模型仿真二維結(jié) 果后，再轉(zhuǎn)為三維結(jié)構(gòu)，全部采用360度旋轉(zhuǎn)立體技術(shù)。
[0019] (7)、對建好的模型劃分網(wǎng)格：MainMenu-Preprocessor-meshtool，設(shè)置 劃分網(wǎng)格密度，再點(diǎn)擊mesh確認(rèn)。 (二)、結(jié)構(gòu)模型的熱疲勞分析 (1)、對每一個(gè)網(wǎng)格單元進(jìn)行有限元法疊加的溫度場分析：MainMenu-solution-loads-apply進(jìn)行載荷施加,取三類熱邊界條件(對流、熱流、溫度場(焊柱頂 端和底端溫度分別為77K和330K)的載荷進(jìn)行分析。選solution菜單的"solve-current LS"進(jìn)行載荷步求解，在MainMenu-generalpostproc-readresults中讀取和保存 求解后的"最大溫差"結(jié)果，等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0020] (2)、從溫度場分析模式改成壓焊力模式循環(huán)壽命分析。在不需要重建模型的情況 下，直接在項(xiàng)目里從thermal改成structure，再點(diǎn)elementtype里的switchelement type，然后solution-newanalysis,選static。模型左側(cè)為軸對稱約束，下側(cè)受對稱約 束，取200g壓焊力，選solution菜單的"solve-currentLS"進(jìn)行載荷步求解。點(diǎn)菜單 insert-fatigue-fatiguetools收斂得到熱循環(huán)疲勞壽命即循環(huán)次數(shù)(周期)，保存求 解"疲勞循環(huán)次數(shù)"結(jié)果，等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0021](3)、單獨(dú)對TSV進(jìn)行再仿真。理由是：在TSV制作和使用過程中，TSV需要承受不 同的溫度循環(huán)，由于轉(zhuǎn)接板上導(dǎo)體金屬和硅的熱膨脹系數(shù)的不匹配性，TSV中導(dǎo)體和硅的 界面處容易發(fā)生開裂和分層，導(dǎo)致失效。在ANSYS中建立不同通孔直徑下的四分之一TSV 模型，分析中采用PLANE 42單元，模型左側(cè)為軸對稱約束，下側(cè)受對稱約束，整體受溫度載 荷，下方施加應(yīng)力載荷(初始速度，邊界條件)。根據(jù)交互式輸入的材料熱膨脹系數(shù)、泊松比、 熱導(dǎo)率、密度等數(shù)據(jù)，在滿足屈曲臨界壓力值的情況下進(jìn)行77K~300K大溫差下的載荷步求 解，獲得導(dǎo)熱行跡矢量圖。然后再用操作簡便的ANSYS WORKBENCH界面來模擬得到77Κ到 300K溫度變化范圍下的熱循環(huán)疲勞臨界壽命。選擇Solve菜單，求解完成后，做TSV疲勞分 析曲線，參數(shù)提取，自動(dòng)生成計(jì)算報(bào)告文件后，讀取交互式輸出數(shù)據(jù)。保存求解"TSV通孔大 溫差下的臨界壽命"結(jié)果，等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0022](三)、協(xié)同仿真 (1)、在ANSYS的電磁仿真功能模塊中，用ANSYS命令流仿真出電磁分布彩圖。該仿真 過程先選擇ANSYS的electromagnetic模塊，輸入命令流如下： /BATCH;進(jìn)入批處理方式 /CLEAR，；清除數(shù)據(jù)以開始新的模型分析 /PREP7;進(jìn)入前處理模塊 ET，1，PLANE77;定義單元類型1(二維8節(jié)點(diǎn)） ET，2, S0LID90;定義單元類型2(三維20節(jié)點(diǎn)） ΠΜΡ，1，KXX，，，50,；定義材料的電磁參數(shù) K，1，0, 0,，；生成關(guān)鍵點(diǎn)I K，2, 1，0,，；生成關(guān)鍵點(diǎn)2 Κ，3, 1，1，，；生成關(guān)鍵點(diǎn)3 Κ，4, 0, 1，，；生成關(guān)鍵點(diǎn)4 A，l，2, 3, 4;由以上4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)生成面 ESIZE，0, 4,；定義由4等分產(chǎn)生單元 AMESH，1;對面1劃分網(wǎng)格 TYPE, 2;單元類型由1換到2 VEXT，1，，，0, 0, -1，，，，；由1號面拉伸生成體（三維單元） ACLEAR，1;清除1號面上的二維單元 FINISH;退出前處理模塊 /SOLU;進(jìn)入求解模塊 NSEL，X，0;選擇X=O的所有節(jié)點(diǎn) D，ALL，TEMP，162.07,；對選中的節(jié)點(diǎn)施加給定電磁場邊界條件 NSEL，X，1;選擇x=l的所有節(jié)點(diǎn) SF，ALL,C0NV，200, 100,；對選中的節(jié)點(diǎn)施加邊界條件 NALL;選中所有節(jié)點(diǎn)，使以后命令對所有節(jié)點(diǎn)有效 SOLVE;求解 FINISH;退出求解模塊 /POSTl;進(jìn)入后處理模塊 PLNSOL，TEMP,，0;顯示電磁場分布結(jié)果 FINISH;退出后處理模塊 (2)、用ADS軟件驗(yàn)證優(yōu)化上述第（1)步的彩圖中電磁分布集中區(qū)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)， 分析出：電磁場集中區(qū)代表的關(guān)鍵部位對應(yīng)有上焊盤寬、下焊盤寬、通孔寬和轉(zhuǎn)板表面?zhèn)鬏?線間距，這幾個(gè)尺寸需要重點(diǎn)優(yōu)化，以減小電磁串?dāng)_，驗(yàn)證步驟如下： 1)、打開已經(jīng)畫好的上述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(上焊盤寬、下焊盤寬、通孔寬和轉(zhuǎn)板表面?zhèn)鬏?線間距)對應(yīng)的PCB上傳輸線族的電路模型圖，使用的尺寸為熱疲勞分析結(jié)果表格中選取的 性能較好的參數(shù)組合。
[0023] 2)、選擇designguide菜單里的signalintegrityapplication。
[0024]3)、選擇nonlineardifferentialTDT,是一種合適的接口元件(差分線性接 口元件）作眼圖接出。
[0025] 4)、把差分線性元件放入結(jié)構(gòu)圖，并且正確連接好。
[0026] 5)、點(diǎn)擊simulate后完成仿真。
[0027] 6)、選"觀看數(shù)據(jù)結(jié)果"按鈕，選眼圖查看，調(diào)試到有效的estimatedatarate。
[0028] 7)、選波形查看，記錄串?dāng)_波動(dòng)值。將ADS仿真結(jié)果進(jìn)行存儲。
[0029](四）、協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì) 對上述熱疲勞分析和協(xié)同仿真結(jié)果匯總列表進(jìn)行分析，列出不同轉(zhuǎn)板表面?zhèn)鬏斁€間 距、基板厚度、通孔直徑、上焊盤直徑、下焊盤直徑、銦柱直徑、銦柱高度尺寸組合，然后調(diào)整 結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述步驟(二)~ (三)進(jìn)行循環(huán)收斂的對比驗(yàn)證，直至選取到電磁和熱疲勞性 能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)束優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0030] 初始仿真的轉(zhuǎn)板表面?zhèn)鬏斁€間距為80μm;基板厚度為300μm;通孔直徑為12 μm;上焊盤直徑為16μm;下焊盤直徑為16μm;銦柱直徑為12μm;銦柱高度為16μm。
[0031]I)、第一次優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整：將轉(zhuǎn)板表面?zhèn)鬏斁€間距調(diào)整為50μm;其 他結(jié)構(gòu)參數(shù)不作調(diào)整，基板厚度為300μm;通孔直徑為12μm;上焊盤直徑為16μm;下 焊盤直徑為16μm;銦柱直徑為12μm;銦柱高度為16μm。
[0032]2)、第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整：將轉(zhuǎn)板表面?zhèn)鬏斁€間距調(diào)整為40μm;基 板厚度調(diào)整為500μπι;通孔直徑調(diào)整為8μπι;上焊盤直徑調(diào)整為12μπι;下焊盤直徑調(diào) 整為12μm;銦柱直徑調(diào)整為10μm;銦柱高度為12μm。
[0033] 3)、第三次優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整：將轉(zhuǎn)板表面?zhèn)鬏斁€間距調(diào)整為60μm;其 他結(jié)構(gòu)參數(shù)不作調(diào)整，基板厚度調(diào)整為500μπι;通孔直徑調(diào)整為8μπι;上焊盤直徑調(diào)整 為12μm;下焊盤直徑調(diào)整為12μm;銦柱直徑調(diào)整為10μm;銦柱高度為12μm。
[0034] 將上述三次循環(huán)仿真得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總?cè)缦卤鞩: 表1 :循環(huán)仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總表

【權(quán)利要求】
1. 一種穿孔式高增益光電系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)，其特征在于按下述步驟 進(jìn)行封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)： (一) 、封裝結(jié)構(gòu)的三維建模 采用ANSYS有限元軟件建立微納器件的二維封裝結(jié)構(gòu)模型，然后采用360度旋轉(zhuǎn)立體 技術(shù)將二維仿真結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為三維仿真結(jié)構(gòu)； (二) 、結(jié)構(gòu)模型的熱疲勞分析 a、 將上述三維仿真結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格化設(shè)置，對劃分的網(wǎng)格單元采用有限元法疊加進(jìn) 行溫度場模式的載荷分析，將求解得到的"最大溫差"等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)； b、 對劃分的網(wǎng)格單元采用有限元法疊加進(jìn)行壓焊力模式的載荷分析，將求解、收斂得 至IJ "疲勞循環(huán)次數(shù)"等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)； c、 將上述三維仿真結(jié)構(gòu)模型采用TSV再仿真，然后在ANSYS有限元軟件中建立不同通 孔直徑下的四分之一 TSV模型，在滿足屈曲臨界壓力值的情況下進(jìn)行77~300K大溫差下的 載荷分析，將求解得到的"TSV通孔大溫差下的臨界壽命"等待協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)； (三) 、協(xié)同仿真 將上述三維仿真結(jié)構(gòu)模型采用ANSYS的電磁仿真出電磁分布彩圖，然后對電磁分布集 中區(qū)域的銦柱、焊盤、通孔、傳輸線間距和基板厚度的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用ADS軟件進(jìn)行電磁串?dāng)_ 的協(xié)同仿真，并將ADS仿真結(jié)果進(jìn)行存儲； (四） 、協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì) 對上述熱疲勞分析和協(xié)同仿真結(jié)果匯總列表進(jìn)行分析，然后調(diào)整銦柱、焊盤、通孔、傳 輸線間距和基板厚度的結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述步驟(二)~ (三)進(jìn)行多次循環(huán)收斂的對比驗(yàn)證， 直至選取到電磁和熱疲勞性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)束優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【文檔編號】G06F17/50GK104484509SQ201410700068
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】葛羽屏, 郭方敏 申請人:華東師范大學(xué)