CFD 與模流分析在薄式電子構(gòu)裝設(shè)計與分析研究

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

中華民國九十年六月八日

目錄
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英文摘要-
志謝
目錄
表目錄
圖目錄
符號說明
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 熱場分析-假設(shè)條件-
2.1.2 CFD 流場分析-假設(shè)條件
2.2 熱場實(shí)驗風(fēng)洞介紹
2.3 實(shí)驗環(huán)境條件
2.3.1 自然對流 (natural convection)
2.3.2 強(qiáng)制對流 (forced convection)-
2.4 風(fēng)洞實(shí)驗步驟
2.4.1 自然對流(natural convection)之熱阻量測
2.4.2 強(qiáng)迫對流(forced convection)之熱阻量測
2.5 建立仿真分析風(fēng)洞模型-流場分析
2.6 構(gòu)裝體(package)模型簡化
2.6.1 芯片座(pad)簡化設(shè)計
2.6.2 導(dǎo)線架(lead frame)簡化設(shè)計
2.6.3 金線簡化設(shè)計
2.6.4 銀膠(die attach)簡化設(shè)計
2.7 模流分析
2.8 幾何模型的建構(gòu)技巧-
2.9 模流分析項目

表目錄
表1.1 全球半導(dǎo)體市場規(guī)模-2
表1.2 我國IC 產(chǎn)業(yè)在全球的地位(供給面) 2
表1.3 1998 年ETP 對未來五年不同封裝型態(tài)數(shù)量及復(fù)合成長率的預(yù)測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64
表5.3 Wire bonding 翹曲量測
表5.4 Molding 翹曲量測
表5.5 平均翹曲量比較66-
表5.6 六組芯片量測翹曲量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)簡介-
圖2.1 ANSYS 分析程序
圖2.2 風(fēng)洞實(shí)驗設(shè)備
圖2.3 密閉空間實(shí)驗配置圖
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 芯片座幾何形狀簡化設(shè)計
圖2.10 芯片座位置簡化設(shè)計-
圖2.11 導(dǎo)線架簡化設(shè)計
圖2.12 內(nèi)腳導(dǎo)線架簡化設(shè)計
圖2.13 外腳導(dǎo)線架簡化設(shè)計
圖2.14 澆口示意圖-
圖2.15 充填過程造成缺陷
圖2.16 短射實(shí)驗示意圖
圖2.17 陰影迭紋量測儀器示意圖
圖2.18 量測儀器示意圖
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 熱對流表面在層流下溫度與速度分布圖
圖3.4 Delco 測試芯片
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 水平板之熱對流方向
圖4.5 TSOP50 三角網(wǎng)格示意圖
圖4.6 TSOP50 熱場分析(1.04w)-溫度分布

CFD 與模流分析在薄式電子構(gòu)裝設(shè)計與分析研究
學(xué)生：羅世閔指導(dǎo)教授：張嘉隆
國立云林科技大學(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)裝體之熱場及流場問題，先使用固體模型及傳統(tǒng)熱對流經(jīng)驗公式預(yù)測電子構(gòu)裝體熱場行為，再利用CFD軟件仿真電子構(gòu)裝體在風(fēng)洞實(shí)驗的熱場和流場分布情況；經(jīng)由預(yù)測與實(shí)驗量測熱阻值比對結(jié)果，CFD 模擬風(fēng)洞實(shí)驗較能準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)驗熱阻值，并探討構(gòu)裝體設(shè)計參數(shù)對熱場的影響。
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)驗驗證計算機(jī)仿真膠體充填過程波前分布準(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 深度對流動波前的影響。第三部分：觀察不同實(shí)驗芯片大小造成膠體流動波前差異，所產(chǎn)生賽馬現(xiàn)象對TSOP40 表面翹曲和芯片座偏移量的影響。TSOP 結(jié)果顯示，計算機(jī)仿真分析能有效地預(yù)測流動波前形狀、芯片座偏移量和氣孔缺陷，當(dāng)實(shí)驗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。
關(guān)鍵詞：CFD、熱阻、模流分析、波前、短射實(shí)驗、翹曲、芯片座偏移

符號說明
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 ：待測點(diǎn)的溫度
a T ：環(huán)境溫度
P :組件功率
H:熱對流系數(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 :特征長度
f,n:經(jīng)驗因子
V:空氣流速（m/s）
L:流動方向上的封裝長度（m）
r:密度