CN111400892B - 一种微探测叠层封装的设计参数评估与采样显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微探测叠层封装的设计参数评估修正与采样显示方法，属于电子领域。本发明提供的方法包括如下步骤：S1，建模；S2，对模型进行电耦合仿真；S3，对模型进行热仿真；S4，从热仿真结果提取热仿真数据，将热仿真数据导入仿真软件中，并在仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到结果曲线；S5，根据结果曲线确定最佳微探测叠层封装结构。本发明节省了很多实际实验的无目的性操作，采样显示模块成本低、功耗低，可同时带有监测谱线算法烧入功能，便于对微集成系统结构等设计进行性能分析、预测和优化。

Description

一种微探测叠层封装的设计参数评估与采样显示方法

技术领域

本发明具体涉及一种微探测叠层封装的设计参数评估与采样显示方法，属于电子领域。

背景技术

高增益微纳信号探测技术广泛应用在武器装备上，大大提高了各种制导武器的夜间作战能力，可适应在多种恶劣环境下应用，在工业领域：电力、冶金、交通、节能、非接触温度测量、预防性维修等；在准军事领域：公安、消防、海关缉私、搜索救援；在医疗领域：癌症、静脉堵塞等早期诊断、手术检测、防寒服装的检测等；在农林业领域：森林草原火灾预警、病虫害探测、农作物估产，均有广泛的应用。

红外成像技术是其中一种微纳信号探测技术。红外成像技术分制冷型和非制冷型两种类型，其中非制冷型红外制导装置的关键器件是红外焦平面阵列。但是在使用中发现，要获得高增益红外探测效果，其组装结构日趋复杂，引入多芯片组装MCM的多维倒装技术，基于此结构的尺寸、材料参数优化和热应力分析、可靠性设计成为一项系统性工作。

然而，现有技术中多芯片组装MCM的可靠性设计相当复杂，需要耗费大量的时间和金钱。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种微探测叠层封装的设计参数评估与采样显示方法，本发明是基于高效处理方法的仿真优化技术实现的，并形成可以流程化复制的功能附件，最终有助于形成耗能低、成本低、可量产、可靠性高的微纳探测集成系统。

本发明提供了一种微探测叠层封装的设计参数评估方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤一，对微探测叠层封装进行建模，得到至少三种结构模型，微探测叠层封装包括：从上而下依次设置的探测信号读出电路、中介层、探测器、焊柱以及测试电路，中介层具有传输线路以及供穿孔引线通过的通孔，探测信号读出电路与探测器通过传输线路以及穿孔引线信号连接；步骤二，对每种结构模型进行电耦合仿真，得到每种结构模型的电场结果数据；步骤三，将电场结果数据作为边界条件，对每种结构模型进行热仿真，得每种结构模型的热仿真结果；步骤四，从热仿真结果提取热仿真数据，将热仿真数据导入仿真软件中，并在仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到结果曲线；步骤五，根据结果曲线确定最佳的微探测叠层封装结构参数。

本发明提供了一种微探测叠层封装的设计参数评估方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤一，对微探测叠层封装进行建模，得到至少三种结构模型，微探测叠层封装包括：从上而下依次设置的探测信号读出电路、中介层、探测器、焊柱以及测试电路，中介层具有传输线路以及供穿孔引线通过的通孔，探测信号读出电路与探测器通过传输线路以及穿孔引线信号连接；步骤二，对每种结构模型进行电耦合仿真，得到每种结构模型的电场结果数据；步骤三，将电场结果数据作为边界条件，对每种结构模型进行热仿真，得每种结构模型的热仿真结果；步骤四，对每种结构模型进行辅助仿真，得每种结构模型的辅助仿真结果；步骤五，从热仿真结果提取热仿真数据，将热仿真数据导入仿真软件中，并在仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到热仿真结果曲线，从辅助仿真结果提取辅助仿真数据，将辅助仿真数据导入仿真软件中，并在仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到辅助仿真结果曲线；步骤六，根据结果曲线确定最佳的微探测叠层封装结构参数，结果曲线包括热仿真结果曲线以及辅助仿真结果曲线。

在本发明提供的微探测叠层封装的设计参数评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，辅助仿真为环境空气运动仿真或结构应力仿真。

在本发明提供的微探测叠层封装的设计参数评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，对结构模型进行电耦合仿真包括如下步骤：步骤1，结构模型导入电磁仿真软件；步骤2，选择求解器类型；步骤3，创建材料参数，添加激励；步骤4，进行仿真计算，得到电场结果数据，电场结果数据包括电压图、电场图、电流密度图以及损耗分布图中的至少一种。

在本发明提供的微探测叠层封装的设计参数评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，对结构模型进行热仿真包括如下步骤：步骤1，将结构模型导入热仿真软件；步骤2，设置空气域；步骤3，设置材料参数；步骤4，划分网格；步骤5，设置环境参数；步骤6，设置迭代步数；步骤7，进行计算仿真，生成热仿真图，热仿真图包括温度图以及风速分布图中的至少一种。

本发明还提供的微探测叠层封装的设计参数采样显示方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，将上述微探测叠层封装的设计参数评估方法中得到的结果曲线通过代码转换为结果数据；步骤2，将结果曲线和/或结果数据展示在带开关的显示仪表上。

在本发明提供的微探测叠层封装的设计参数采样显示方法中，还可以具有这样的特征：其中，将结果曲线和/或结果数据展示在带开关的显示仪表上的方法包括如下步骤：步骤1，在芯片开发软件中确定开发板上芯片的型号，完成芯片的电性能参数以及封装类型的设置；步骤2，建立源程序文件，并添加可视化功能程序和testbench验证程序，输入程序代码并保存，进行综合编译；步骤3，进行波形仿真；步骤4，将芯片的引脚与程序中的输入输出所有端口进行关联，生成配置后可烧入的文件；步骤5，映射好引脚后，连接JTAG，装好下载器驱动程序，将可烧入的文件烧入开发板上的芯片，在显示仪表上调试出静态数字显示。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种微探测叠层封装的设计参数评估与采样显示方法，因为本发明提供了建模以及仿真的方法来对具体的实验实施提供参考。所以，本发明节省了很多实际实验的无目的性操作，采样显示模块成本低、功耗低，可同时带有监测谱线算法烧入功能，便于对微集成系统结构等设计进行性能分析、预测和优化，运用本方法后，在实验时只需完成探测器芯片设计、读出电路设计、系统级整体倒装、FPGA控制程序烧入即可。该方法对传感器类微信号探测谱仪的性能调优及设计思路提供了借鉴，有助于实现高可靠性、成品率和稳定性的优质功能。

附图说明

图1是本发明的实施例中微探测叠层封装的设计参数评估方法的流程图；

图2是本发明的实施例中微探测叠层封装的结构示意图；

图3是本发明的实施例中三种工况的热结果曲线；以及

图4是本发明的实施例中探测数值的系统结构框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中微探测叠层封装的设计参数评估与采样显示方法的流程图。

如图1所示，本实施例中的微探测叠层封装的设计参数评估与采样显示方法包括如下步骤：

步骤1，对微探测叠层封装进行建模，得到三种结构模型，在别的实施例中可以建立更多的结构模型进行筛选，

具体地，本实施例中建模的步骤如下：

步骤1-1，用solidworks对模型进行修改处理，模型构建时真实呈现叠装结构中粘合有芯片的顶层与底层表面的传输线与键合引线架构；

步骤1-2，打开ansys，搭建各个仿真模块并耦合，分别是模型处理模型，电磁模块，热模块以及结构模块。右键处理模块geometry-import导入步骤1的模型文件(stp格式)，然后双击geometry进入界面，选择单位mm，点击Generate键，生成初步模型；

步骤1-3，进行布尔操作，让两块板减去其他所有部件，消除初步模型中的干涉部分；

步骤1-4，将所有零件设置成软件可识别零件，即得到结构模型。

图2是本发明的实施例中微探测叠层封装的结构示意图。

如图2所示，微探测叠层封装包括：从上而下依次设置的上层板上传输线的焊盘1、信号读出电路芯片0和它的键合引线11、中介层2、探测器3、焊柱4以及测试电路5，传输线焊盘1与芯片键合引线11以及供穿孔引线通过的通孔12接通，探测信号读出电路0与探测器3通过键合引线11以及穿孔引线信号连接。

具体地，在本实施例中，三种结构模型的具体参数如表1所示。

表1三种结构模型的参数

步骤2，对每种结构模型进行电耦合仿真，得到每种结构模型的电场结果数据；

具体地，在本实施例中对结构模型进行电耦合仿真是使用MAXWELL软件实现的，包括如下步骤：

步骤2-1，双击电磁模块geometry进入电磁仿真软件MAXWELL；

步骤2-2，选择求解器类型为直流求解器；

步骤2-3，创建材料参数，给电磁模块B中所有零件选择对应的材料，设置好介电常数和电导率；

步骤2-4，添加激励，设置电流为50A，电流方向朝内，导线另一端接地，在确认设置无误后开始进行仿真计算；

步骤2-5，MAXWELL计算结果提取，得到电压图、电场图、电流密度图以及损耗分布图。

步骤3，将电场结果数据作为边界条件，对每种结构模型进行热仿真，得每种结构模型的热仿真结果；

具体地，对结构模型进行热仿真的方法包括如下步骤：

步骤3-1，双击热模块进入热仿真软件，双击Cabinet对模型外面的空气域大小进行设置，原则上是模型左右前后下面的空气厚度尺寸与模型自身大小相同，上面的空气比模型大个3倍左右，用于仿真精度实现；

步骤3-2，，将空气域六个面设置成与大气相通，使其自然对流；

步骤3-3，设置材料参数，确定各材料的导热系数；

步骤3-4，划分网格，将热模块划分网格，尺寸设置成2.5mm，然后切换成multi-level项，勾选allow multi-level meshing打开多级网格功能，再点击edit level弹出新的菜单栏，对各个部件设置一定的级数，最后生成网格；

步骤3-5，设置环境参数，包括：流体湍流方程、重力方向，同时设置环境温度为20℃，再往重力反方向设置一个较小的空气流速，空气流速范围是9.80665m/s--0.015m/s，在本实施例中空气流速为2.0m/s。；

步骤3-6，设置一个迭代步数；

步骤3-7，设置成多核并行计算从而加快计算速度；

步骤3-8，开始计算，得到迭代曲线图、温度图以及风速分布图。

步骤4，对每种结构模型进行辅助仿真，得每种结构模型的辅助仿真结果；

在本实施例中辅助仿真包括：环境空气仿真以及结构应力仿真，其中环境空气仿真可以预测微探测叠层封装结构的环境中的可靠性(以空气流速低和落差小，环境中气体发热均匀为优)。进行环境空气仿真以及结构应力仿真的具体操作与步骤3中进行热仿真相似，在此不再赘述。

步骤5，从热仿真结果提取热仿真数据，将热仿真数据导入仿真软件中，并在仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到热仿真结果曲线，从辅助仿真结果提取辅助仿真数据，将辅助仿真数据导入仿真软件中，并在仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到辅助仿真结果曲线，最终将热仿真结果曲线和辅助仿真结果曲线展示在带开关的显示仪表上；

具体地，由于在本步骤中对热仿真数据的处理方式包括如下步骤：

步骤5-1，从热仿真结果中提取数据，生成txt文件；

步骤5-2，在FPGA modelsim中导入txt文件数据，编写并添加可视化功能程序和testbench验证程序；

在本实施例中，温度仿真的可视化功能程序和testbench验证程序均使用verilog代码，

具体地，在本实施例中，可视化功能程序代码如下：

testbench验证程序代码如下：

module wave_testbench()；

reg[7:0]addr；

wire[31:0]data；

wave i_wave(

.addr(addr),

.data(data))；

initial begin

addr＝8'd0；

repeat(8)begin

#100；

addr＝addr+1；

end

end

endmodule

应力仿真的可视化功能程序和testbench验证程序与温度仿真的可视化功能程序和testbench验证程序相类似，在此不再赘述。

步骤5-3，对可视化功能程序和testbench验证程序进行编译，编译通过后，设置查看结果显示，特性为模拟量显示方式，得到三种工况的热结果曲线，如图3所示。

步骤5-4，启动QuartusⅡ建立一个空白工程。在工程中通过DEVICE菜单选择出将烧入的开发板上FPGA芯片的型号，完成该芯片的电性能参数和封装类型等设置；

图4是本发明的实施例中探测数值的系统结构框图。

如图4所示，在本实施例中，使用QUARTUS开发环境和开发板实现探测数值从二进制转化为十进制和BCD码，与开关一起进行控制，驱动七段数码管进行显示。由一号开关控制探测值显示，打开开关即探测后立即静态显示数值。

在本实施例中，开发板资源为6个7段LED数码管，时钟信号以及两个按键。程序模块划分为顶层模块，分频模块，显示控制模块，开关控制模块以及LED显示编码模块。开发板的核心FPGA芯片为Altera Cyclone第五代。

在本实施例中，数码管显示探测数值端口信号定义如表2所示，

表2数码管显示探测数值端口信号定义表

信号名	I/O	含义
			Clk	I	系统时钟输入，50MHZ
Clk_1	O	分频后频率为1HZ的时钟输出
			Shiwan	O	显示驱动信号0-9(位宽需4个bit)
Wan	O	显示驱动信号0-9(位宽需4个bit)
			Qian	O	显示驱动信号0-9(位宽需4个bit)
Bai	O	显示驱动信号0-9(位宽需4个bit)
			Shi	O	显示驱动信号0-9(位宽需4个bit)
Ge	O	显示驱动信号0-9(位宽需4个bit)
			Key	O	测得数值进行显示的开关控制信号

以上是主要接口信号。在几个核心子模块中，还是会在程序里定义整个功能块的中间连接信号，完全通过程序来产生端口，以烧入开发板的形式映射到芯片中形成实际端口。

可视化功能程序和testbench验证程序端口为：addr输入；data输出。

步骤5-4，新建verilog源程序文件，输入程序代码并保存，进行综合编译，若在编译过程中发现错误，则找出并更正错误，直至编译成功为止；

步骤5-5，进行波形仿真；

步骤5-6，在QUARTUS平台中将开发板上FPGA芯片的引脚与verilog程序中的输入输出所有端口进行关联，生成配置后可烧入的*.sof文件；

步骤5-7，映射好引脚后，连接JTAG，装好下载器驱动程序，将工程烧入开发板，调试出数码管静态数字显示；

步骤6，根据结果曲线确定最佳的微探测叠层封装结构参数，

在本实施例中，跟根据结果曲线，第一组中等型结构，其温度范围为19℃-64℃，第二组扁宽型结构，其温度范围为20℃-59℃，第三组窄高型结构，其温度范围为20℃-90℃，显然扁宽型热耗最小，同时结合环境空气运动仿真和结构应力仿真的结果，确定扁宽型为最佳的微探测叠层封装结构。

实施例的作用与效果

根据实施例涉及的一种微探测叠层封装的设计参数评估方法，因为实施例提供了建模以及仿真的方法来对具体的实验实施提供参考。所以，本发明节省了很多实际实验的无目的性操作，采样显示模块成本低、功耗低，可同时带有监测谱线算法烧入功能，便于对微集成系统结构等设计进行性能分析、预测和优化，运用本方法后，在实验时只需完成探测器芯片设计、读出电路设计、系统级整体倒装、FPGA控制程序烧入即可。本方法对传感器类微信号探测谱仪的性能调优及设计思路提供了借鉴，有助于实现高可靠性、成品率和稳定性的优质功能。

进一步地，根据实施例所涉及的一种微探测叠层封装的设计参数采样显示方法，因为实施例使用modelsim进行仿真，所以本发明各模块组成的工程经编译，最终映射到芯片中，如有功能调整需要，比如附加可视化分析控制模块，则在纳秒级时间内就能通过链接新模块和读取不同的SRAM中的数据来实现逻辑重构。本实施例采用FPGA这种重构快速的功能附件，非常有利于同时完成采样控制、显示控制及实时谱线监测分析，通过可编程可快速进行调整，随时进行后续优化、逼近目的指标。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微探测叠层封装的设计参数评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，对微探测叠层封装进行建模，得到至少三种结构模型，所述三种结构模型分别为中等型、扁宽型以及窄高型，

所述微探测叠层封装包括：从上而下依次设置的探测信号读出电路、中介层、探测器、焊柱以及测试电路，所述中介层具有传输线路以及供穿孔引线通过的通孔，所述探测信号读出电路与所述探测器通过所述传输线路以及穿孔引线信号连接；

步骤二，对每种所述结构模型进行电耦合仿真，得到每种所述结构模型的电场结果数据；

步骤三，将所述电场结果数据作为边界条件，对每种所述结构模型进行热仿真，得每种所述结构模型的热仿真结果；

步骤四，从所述热仿真结果提取热仿真数据，将所述热仿真数据导入仿真软件中，并在所述仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到结果曲线；

步骤五，根据所述结果曲线从所述至少三种结构模型中确定最佳的微探测叠层封装结构参数，

步骤1中，所述建模为通过ANSYS搭建仿真模块，

步骤2中，对结构模型进行电耦合仿真为使用MAXWELL软件实现，

步骤5中，所述确定微探测叠层封装结构参数的过程为通过QUARTUS平台实现，

将所述微探测叠层封装的设计参数评估方法中得到的结果曲线通过代码转换为结果数据，并将所述结果曲线和/或所述结果数据展示在带开关的显示仪表上。

2.一种微探测叠层封装的设计参数评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，对微探测叠层封装进行建模，得到至少三种结构模型，所述三种结构模型分别为中等型、扁宽型以及窄高型，

所述微探测叠层封装包括：从上而下依次设置的探测信号读出电路、中介层、探测器、焊柱以及测试电路，所述中介层具有传输线路以及供穿孔引线通过的通孔，所述探测信号读出电路与所述探测器通过所述传输线路以及所述穿孔引线信号连接；

步骤二，对每种所述结构模型进行电耦合仿真，得到每种所述结构模型的电场结果数据；

步骤三，将所述电场结果数据作为边界条件，对每种所述结构模型进行热仿真，得每种所述结构模型的热仿真结果；

步骤四，对每种所述结构模型进行辅助仿真，得每种所述结构模型的辅助仿真结果；

步骤五，从所述热仿真结果提取热仿真数据，将所述热仿真数据导入仿真软件中，并在所述仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到热仿真结果曲线，从所述辅助仿真结果提取辅助仿真数据，将所述辅助仿真数据导入仿真软件中，并在所述仿真软件中编写可视化功能程序和验证程序，得到辅助仿真结果曲线；

步骤六，根据结果曲线从所述至少三种结构模型中确定最佳的微探测叠层封装结构参数，所述结果曲线包括所述热仿真结果曲线以及所述辅助仿真结果曲线，

其中，所述辅助仿真为环境空气运动仿真或结构应力仿真。

3.根据权利要求1或2所述的微探测叠层封装的设计参数评估方法，其特征在于：

其中，对所述结构模型进行电耦合仿真包括如下步骤：

步骤1，结构模型导入电磁仿真软件；

步骤2，选择求解器类型；

步骤3，创建材料参数，添加激励；

步骤4，进行仿真计算，得到电场结果数据，

所述电场结果数据包括电压图、电场图、电流密度图以及损耗分布图中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的微探测叠层封装的设计参数评估方法，其特征在于：

其中，对所述结构模型进行热仿真包括如下步骤：

步骤1，将所述结构模型导入热仿真软件；

步骤2，设置空气域；

步骤3，设置材料参数；

步骤4，划分网格；

步骤5，设置环境参数；

步骤6，设置迭代步数；

步骤7，进行计算仿真，生成热仿真图，

所述热仿真图包括温度图以及风速分布图中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的微探测叠层封装的设计参数评估方法，其特征在于，

其中，将所述结果曲线和/或所述结果数据展示在带开关的显示仪表上的方法包括如下步骤：

步骤1，在芯片开发软件中确定开发板上芯片的型号，完成所述芯片的电性能参数以及封装类型的设置；

步骤2，建立源程序文件，并添加可视化功能程序和testbench验证程序，输入程序代码并保存，进行综合编译；

步骤3，进行波形仿真；

步骤4，将所述芯片的引脚与程序中的输入输出所有端口进行关联，生成配置后可烧入的文件；

步骤5，映射好引脚后，连接JTAG，装好下载器驱动程序，将所述可烧入的文件烧入开发板上的芯片，在所述显示仪表上调试出静态数字显示以及曲线显示。

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