CN104484509B - 穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计方法，其特点是该封装结构的热疲劳优化设计包括：封装结构的三维建模、结构模型的热疲劳分析和协同仿真以及调整结构参数进行多次循环收敛的对比验证，直至选取到电磁和热疲劳性能最佳的结构参数结束优化设计。本发明与现有技术相比具有优化过程简便，仿真周期短，参数提取精确，从而降低失效的可能性，为制作工艺提供参考依据，而且使用方便、直观、高效，有效降低封装结构的设计成本。

Description

穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计方法

技术领域

本发明涉及微纳器件的光电封装技术领域，具体地说是一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计方法。

背景技术

近些年来，微纳器件已经有了一定的发展，但是很多芯片却没有作为产品得到实际应用，其原因之一是没有解决封装问题。硅通孔技术(TSV，Through -Silicon-Via)是第四代封装技术，是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，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边进行通孔，然后进行芯片或晶圆的层叠。由于微纳器件封装难度较大，不能简单地用集成电路封装技术直接去封装微纳器件。在芯片与基板通过焊柱压焊过程中，需要进行热—力特性优化设计，通过疲劳分析优化，准确判断决定凸点与基板焊接效果，并且准确定位基板与凸点的倒装结构的应力集中区，以增强封装结构可靠性。在硅通孔技术（TSV）的制作和使用过程中，TSV 需要承受不同的温度循环，由于转接板上材料的热膨胀系数的不匹配性，其界面处容易发生开裂和分层而导致失效。为了延长使用寿命，需要优化出最佳的通孔尺寸使得其应力最小，从而降低失效的可能性。

目前，在TSV技术的光电封装结构热应力 + 电磁串扰优化设计方面，业界均未有系统地分析方法，一般直接靠操作者凭经验进行反复的参数设置与调整。曾有研究者针对某些压焊部位进行ANSYS仿真，但未能有热疲劳与电磁特性联合验证设计的全盘考虑。也有研究者采用基于并行自适应有限元的方法进行微结构的建模与分析，但此类方法过程复杂，上手慢，提取参数不够简便高效。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计方法，采用ANSYS二维仿真直观地获得施加载荷后的TSV变形和整体结构应力以及温度分布，将获得的热疲劳特性参数用ANSYS电磁仿真模块和ADS软件分别验证这个结构的串扰特性，最后选取电磁和热疲劳综合效果最好的尺寸组合，从而降低失效的可能性，为制作工艺提供可靠的参考依据，参数提取精确、高效，仿真周期短，优化过程简便，进一步降低封装结构的设计成本。

本发明的目的是这样实现的：一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计方法，其特点是按下述步骤进行封装结构的优化设计：

（一）、封装结构的三维建模

采用ANSYS有限元软件建立微纳器件的二维封装结构模型，然后采用360度旋转立体技术将二维仿真结构转为三维仿真结构。

（二）、结构模型的热疲劳分析

a、将上述三维仿真结构模型进行网格化设置，对划分的网格单元采用有限元法叠加进行温度场模式的载荷分析，将求解得到的“最大温差”等待协同优化设计。

b、对划分的网格单元采用有限元法叠加进行压焊力模式的载荷分析，将求解、收敛得到“疲劳循环次数”等待协同优化设计。

c、将上述三维仿真结构模型采用TSV再仿真，然后在ANSYS有限元软件中建立不同通孔直径下的四分之一TSV 模型，在满足屈曲临界压力值的情况下进行77~300K大温差下的载荷分析，将求解得到的“TSV通孔大温差下的临界寿命”等待协同优化设计。

（三）、协同仿真

将上述三维仿真结构模型采用ANSYS的电磁仿真出电磁分布彩图，然后对电磁分布集中区域的铟柱、焊盘、通孔、传输线间距和基板厚度的结构参数采用ADS软件进行电磁串扰的协同仿真，并将ADS仿真结果进行存储。

（四）、协同优化设计

对上述热疲劳分析和协同仿真结果汇总列表进行分析，然后调整铟柱、焊盘、通孔、传输线间距和基板厚度的结构参数，重复上述步骤（二）~（三）进行多次循环收敛的对比验证，直至选取到电磁和热疲劳性能最佳的结构参数结束优化设计。

本发明与现有技术相比具有优化过程简便，仿真周期短，参数提取精确，从而降低失效的可能性，为制作工艺提供参考依据，而且使用方便、直观、高效，有效降低封装结构的设计成本。

具体实施方式

通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

（一）、封装结构的三维建模

(1) 、在ANSYS有限元软件中建立模型，分析中采用PLANE 42 单元，在Main Menu→Preprocess→element type中设置。

(2) 、生成基座部分的长方体：单击Main Menu→Preprocess→Create→Volumes→Block→By Dimensions，输入尺寸,然后单击[OK]，得长方体基座。平移并旋转工作平面：Utility Menu → WorkPlane → Offset WP by IncrementsX,Y,Z Offsets 输入坐标，点击[Apply]，XY，YZ，ZX Angles输入角度，单击[OK]。

(3) 、创建圆柱体铟焊柱：单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→ Volumes → Cylinder →Solid Cylinder,输入尺寸,单击[OK]。得到一个圆柱体，拷贝生成另一个圆柱体：Main Menu → Preprocessor → Modeling → Copy → Volume拾取圆柱体,单击Apply，单击[OK]。拷贝生成另一个圆柱体完成。

(4) 、从长方体中减去两个圆柱体：Main Menu →Preprocessor → Modeling →Operate →Booleans→Subtract →Volumes，首先拾取长方体，单击[Apply]，然后拾取减去的两个圆柱体，单击[OK]。

(5) 、通过先设置关键节点keypoint，再用线line连成不规则图形的方式，在上面得到的图形中加上系统级封装结构指定的传输线、中间板和焊盘样式:

传输线：Main Menu →Preprocessor →Create→ keypoints →on workplane→line；

焊盘：Main Menu →Preprocessor →Create→ keypoints →on workplane→rectangle；

中间板：Main Menu →Preprocessor →Create→ area→rectangle。

(6) 、执行Plotctrls→Style→Symmatry Expansion→2D,就将二维结构绕Y轴旋转360度，转为三维立体模型。根据上述第(1)到第(5)步骤的二维模型仿真二维结果后，再转为三维结构，全部采用360度旋转立体技术。

(7) 、对建好的模型划分网格：Main Menu →Preprocessor →meshtool，设置划分网格密度，再点击mesh确认。

（二）、结构模型的热疲劳分析

(1) 、对每一个网格单元进行有限元法叠加的温度场分析：Main Menu →solution→loads→apply进行载荷施加，取三类热边界条件（对流、热流、温度场（焊柱顶端和底端温度分别为77K和330K）的载荷进行分析。选solution菜单的“solve→current LS”进行载荷步求解，在Main Menu → general postproc → read results中读取和保存求解后的“最大温差”结果，等待协同优化设计。

(2) 、从温度场分析模式改成压焊力模式循环寿命分析。在不需要重建模型的情况下，直接在项目里从thermal改成structure，再点element type 里的 switch elementtype ，然后solution - new analysis，选static。模型左侧为轴对称约束，下侧受对称约束，取 200g压焊力，选solution菜单的“solve→current LS”进行载荷步求解。点菜单insert→fatigue→fatigue tools收敛得到热循环疲劳寿命即循环次数（周期），保存求解“疲劳循环次数”结果，等待协同优化设计。

(3) 、单独对TSV进行再仿真。理由是：在TSV 制作和使用过程中，TSV 需要承受不同的温度循环，由于转接板上导体金属和硅的热膨胀系数的不匹配性，TSV 中导体和硅的界面处容易发生开裂和分层，导致失效。在ANSYS 中建立不同通孔直径下的四分之一TSV模型，分析中采用PLANE 42 单元，模型左侧为轴对称约束，下侧受对称约束，整体受温度载荷，下方施加应力载荷（初始速度，边界条件）。根据交互式输入的材料热膨胀系数、泊松比、热导率、密度等数据，在满足屈曲临界压力值的情况下进行77K~300K大温差下的载荷步求解，获得导热行迹矢量图。然后再用操作简便的ANSYS WORKBENCH界面来模拟得到77K到300K温度变化范围下的热循环疲劳临界寿命。选择Solve菜单，求解完成后，做TSV疲劳分析曲线，参数提取，自动生成计算报告文件后，读取交互式输出数据。保存求解“TSV通孔大温差下的临界寿命”结果，等待协同优化设计。

（三）、协同仿真

(1) 、在ANSYS的电磁仿真功能模块中，用ANSYS命令流仿真出电磁分布彩图。该仿真过程先选择ANSYS的electromagnetic模块，输入命令流如下：

/BATCH;进入批处理方式

/CLEAR,;清除数据以开始新的模型分析

/PREP7;进入前处理模块

ET,1,PLANE77;定义单元类型1(二维8节点)

ET,2,SOLID90;定义单元类型2(三维20节点)

UIMP,1,KXX,,,50,;定义材料的电磁参数

K,1,0,0,,;生成关键点1

K,2,1,0,,;生成关键点2

K,3,1,1,,;生成关键点3

K,4,0,1,,;生成关键点4

A,1,2,3,4;由以上4个关键点生成面

ESIZE,0,4,;定义由4等分产生单元

AMESH,1;对面1划分网格

TYPE,2;单元类型由1换到2

VEXT,1,,,0,0,-1,,,,;由1号面拉伸生成体(三维单元)

ACLEAR,1;清除1号面上的二维单元

FINISH;退出前处理模块

/SOLU;进入求解模块

NSEL,X,0;选择x=0的所有节点

D,ALL,TEMP,162.07,;对选中的节点施加给定电磁场边界条件

NSEL,X,1;选择x=1的所有节点

SF,ALL,CONV,200,100,;对选中的节点施加边界条件

NALL;选中所有节点,使以后命令对所有节点有效

SOLVE;求解

FINISH; 退出求解模块

/POST1; 进入后处理模块

PLNSOL,TEMP,,0; 显示电磁场分布结果

FINISH; 退出后处理模块

(2) 、用ADS软件验证优化上述第（1)步的彩图中电磁分布集中区域的关键结构参数，分析出：电磁场集中区代表的关键部位对应有上焊盘宽、下焊盘宽、通孔宽和转板表面传输线间距，这几个尺寸需要重点优化，以减小电磁串扰，验证步骤如下：

1) 、打开已经画好的上述关键结构参数（上焊盘宽、下焊盘宽、通孔宽和转板表面传输线间距）对应的PCB上传输线族的电路模型图，使用的尺寸为热疲劳分析结果表格中选取的性能较好的参数组合。

2) 、选择designguide菜单里的signal integrity application。

3) 、选择non linear differential TDT, 是一种合适的接口元件（差分线性接口元件）作眼图接出。

4) 、把差分线性元件放入结构图，并且正确连接好。

5）、点击simulate后完成仿真。

6）、选“观看数据结果”按钮，选眼图查看，调试到有效的estimate data rate 。

7）、选波形查看，记录串扰波动值。将ADS仿真结果进行存储。

（四）、协同优化设计

对上述热疲劳分析和协同仿真结果汇总列表进行分析，列出不同转板表面传输线间距、基板厚度、通孔直径、上焊盘直径、下焊盘直径、铟柱直径、铟柱高度尺寸组合，然后调整结构参数，重复上述步骤（二）~（三）进行循环收敛的对比验证，直至选取到电磁和热疲劳性能最佳的结构参数结束优化设计。

初始仿真的转板表面传输线间距为80 μm；基板厚度为300 μm；通孔直径为12 μm；上焊盘直径为16 μm；下焊盘直径为16 μm；铟柱直径为12 μm；铟柱高度为16 μm。

1) 、第一次优化设计的结构参数调整：将转板表面传输线间距调整为50 μm；其他结构参数不作调整，基板厚度为300 μm；通孔直径为12 μm；上焊盘直径为16 μm；下焊盘直径为16 μm；铟柱直径为12 μm；铟柱高度为16 μm。

2) 、第二次优化设计的结构参数调整：将转板表面传输线间距调整为40 μm；基板厚度调整为500 μm；通孔直径调整为8 μm；上焊盘直径调整为12 μm；下焊盘直径调整为12μm；铟柱直径调整为10 μm；铟柱高度为12 μm。

3) 、第三次优化设计的结构参数调整：将转板表面传输线间距调整为60 μm；其他结构参数不作调整，基板厚度调整为500 μm；通孔直径调整为8 μm；上焊盘直径调整为12 μm；下焊盘直径调整为12 μm；铟柱直径调整为10 μm；铟柱高度为12 μm。

将上述三次循环仿真得到的结构参数汇总如下表1：

表1：循环仿真结构参数汇总表

组号	转板表面传输线间距um	基板厚度um	通孔直径um	上焊盘直径um	下焊盘直径um	铟柱直径um	铟柱高度um
								A	80	300	12	16	16	12	16
B	50	300	12	16	16	12	16
								C	40	500	8	12	12	10	12
D	60	500	8	12	12	10	12

将上述三次循环仿真结果汇总如下表2：

表2：循环仿真结果汇总表

尺寸组合序号	最大温差（K）	疲劳循环次数	TSV通孔大温差下临界寿命	眼图清晰程度	串扰（mV）
						A	350	4309	14049	清晰	0.01043
B	330	4329	14050	中等	0.01049
						C	360	2779	11823	中等	0.01013
D	340	4525	13686	较清晰	0.01021

从上述表2中的串扰和热疲劳指标可以看出，热循环寿命随着基板厚度的增大而减小，经对比验证和优化分析，相对比较理想的结构参数组合为D组，从而确定了这个光电系统级封装的结构参数设计为：转板表面传输线间距为60 μm；基板厚度为500 μm；通孔直径为8 μm；上焊盘直径为12 μm；下焊盘直径为12 μm；铟柱直径为10 μm；铟柱高度为12 μm。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计方法，其特征在于按下述步骤进行封装结构的优化设计：

（一）、封装结构的三维建模

采用ANSYS有限元软件建立微纳器件的二维封装结构模型，然后采用360度旋转立体技术将二维仿真结构转为三维仿真结构；

（二）、结构模型的热疲劳分析

a、将上述三维仿真结构模型进行网格化设置，对划分的网格单元采用有限元法叠加进行温度场模式的载荷分析，将求解得到的“最大温差”等待协同优化设计；

b、对划分的网格单元采用有限元法叠加进行压焊力模式的载荷分析，将求解、收敛得到“疲劳循环次数”等待协同优化设计；

c、将上述三维仿真结构模型采用TSV再仿真，然后在ANSYS有限元软件中建立不同通孔直径下的四分之一TSV 模型，在满足屈曲临界压力值的情况下进行77~300K大温差下的载荷分析，将求解得到的“TSV通孔大温差下的临界寿命”等待协同优化设计；

（三）、协同仿真

将上述三维仿真结构模型采用ANSYS的电磁仿真出电磁分布彩图，然后对电磁分布集中区域的铟柱、焊盘、通孔、传输线间距和基板厚度的结构参数采用ADS软件进行电磁串扰的协同仿真，并将ADS仿真结果进行存储；

（四）、协同优化设计

对上述热疲劳分析和协同仿真结果汇总列表进行分析，然后调整铟柱、焊盘、通孔、传输线间距和基板厚度的结构参数，重复上述步骤（二）~（三）进行多次循环收敛的对比验证，直至选取到电磁和热疲劳性能最佳的结构参数结束优化设计。