JP2972518B2 - 半導体パッケージ設計用応力解析システムおよびその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有限要素法による半導
体パッケージ設計用の応力解析システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８（ａ）に、代表的な半導体パッケー
ジの設計因子（半導体パッケージを構成する部品の寸法
や材料）の表を示し、図８（ｂ）に代表的な半導体パッ
ケージの構成を示す。半導体パッケージの設計には、図
８に示すように各部品の寸法、材料など膨大な設計因子
があり、一つ一つの設計因子を変え実験で確認しながら
最適なパッケージ構造（部品の組み合わせ・寸法・材
料）を設計するには膨大な時間と経費がかかる。そこで
設計の効率化のために、商業的に入手可能な有限要素法
汎用解析ソフトウェアによる応力解析が行われており、
例えば特開平１−２０１０８６号公報に開示されてい
る。

【０００３】有限要素法（ＦＥＭ）とは、解析対象を小
さな要素に分割し、各要素について有限な値をもつ関数
で区分的に解を近似して全体の解を求める方法である。
有限要素法は、解析の対象を小さな要素に分割し偏微分
方程式を解くことから、複雑な形状を持つ場合に有利で
あり、構造解析の分野において広く利用されている。

【０００４】図９は、従来の有限要素法汎用応力解析ソ
フトウェアによる半導体パッケージの設計手順を示すフ
ローチャートである。まず、あるパッケージタイプにつ
いて、パッケージを構成する各部品の寸法・材料などを
入力して解析対象のパッケージをモデル化し、応力解析
用データを作成する。次に先のデータを有限要素法によ
り応力解析し、その解析結果と、あらかじめ実験により
測定しておいた各構成部品単独の強度の実測値とを比較
する。有限要素法による応力解析結果の方が、各部品の
強度の実測値よりも大きな場合はパッケージが割れると
予想され、再度寸法や材料を変更してモデルの作成と応
力解析を行う。有限要素法によるモデルの応力解析結果
が、部品の強度よりも小さくなるまでこの操作を繰り返
し、パッケージ設計に使用する材料の選択や、部品の寸
法の設定などを行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
汎用解析ソフトウェアは、汎用性を重視するあまり操作
性が悪かった。例えば、パッケージ用部品の組み合わせ
や寸法が変わると、初めから解析用モデルを作り直さな
ければならず、モデル作成に時間と熟練が必要であっ
た。また、解析用モデルを作り直すことを繰り返す過程
において、設計条件により応力がどのように変化するか
を示すグラフが寸法変更には必要であるが、従来は設計
者自らが各解析結果を集計し、手でグラフ化しなければ
ならず、必要なグラフを解析システム上で作成し、コン
ピュータの画面に表示させることは難しかった。また、
ソフトウェア固有の解析モードとコマンドの入力など、
解析には専門知識が必要であり、経験のない設計者には
困難であった。

【０００６】以上のように、従来の汎用解析ソフトウェ
アは操作性が悪く、解析作業には熟練が必要であるとい
う問題点があった。

【０００７】本発明の目的は、上記問題点を解決し、半
導体パッケージ設計のためのモデル化とその解析と解析
結果表示を、簡単な操作でしかも短時間で行える応力解
析システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
有限要素法による半導体パッケージ設計用応力解析シス
テムであって、半導体パッケージを構成上複数のタイプ
に分類し、前記各タイプの構成部品の代表的な寸法を設
定した基本モデルと、前記基本モデルを構成する部品の
代表的な寸法を書き換えるか、あるいは前記代表的な寸
法に新たな寸法を付け加えることにより、解析対象であ
る単数または複数の解析用モデルのリードフレーム部品
を含む構成部品の寸法を設定入力する手段と、半導体パ
ッケージの構成部品の材料定数が登録されたファイル
と、前記ファイルから前記解析用モデルの構成部品の材
料を単数または複数指定入力する手段と、前記寸法入力
手段と前記材料入力手段により作成される単数または複
数の前記解析用モデルを、有限要素法により応力解析す
る手段と、前記応力解析結果をグラフ表示する手段を有
することを特徴とする半導体パッケージ設計用応力解析
システムである。

【０００９】第２の発明は、前記グラフ表示手段が、応
力解析結果と、解析用モデルを構成する各部品の材料強
度を同一グラフ上に表示することを特徴とする第１の発
明に記載の半導体パッケージ設計用応力解析システムで
ある。

【００１０】第３の発明は、前記グラフの軸に、前記応
力解析結果、または部品の寸法、または材料定数、また
は応力解析結果と部品の寸法と材料定数のいずれかの組
み合わせをとることを特徴とする第１の発明または第２
の発明に記載の半導体パッケージ設計用応力解析システ
ムである。

【００１１】第４の発明は、有限要素法による半導体パ
ッケージ設計用応力解析方法であって、半導体パッケー
ジを構成上複数のタイプに分類し、前記各タイプの構成
部品の代表的な寸法を付与した基本モデルを作成する工
程と、前記基本モデルより解析対象のタイプを選択し、
基本モデルの構成部品の代表的な寸法を単数または複数
書き換えるか、あるいは前記代表的な寸法に新たな寸法
を付け加えることにより、解析対象である単数または複
数の解析用モデルのリードフレーム部品を含む構成部品
の寸法を設定する工程と、半導体パッケージの構成部品
の材料定数が登録されたファイルから、前記解析用モデ
ルの構成部品の材料を単数または複数指定入力する工程
と、前記寸法設定工程と前記材料指定工程により作成さ
れる単数または複数の前記解析用モデルを、有限要素法
により応力解析する工程と、前記応力解析結果をグラフ
表示する工程を有し、前記寸法設定工程と前記材料指定
工程において各々単数または複数の条件設定を行い、同
時に単数または複数の前記解析用モデルを作成かつ応力
解析することを特徴とする半導体パッケージ設計用応力
解析方法である。第５の発明は、前記応力解析結果と、
前記解析用モデルを構成する各部品の材料強度とを比較
する工程を有することを特徴とする第４の発明に記載の
半導体パッケージ設計用応力解析方法である。

【００１２】

【作用】図１は、本発明の応力解析システムによる設計
手順を示すフローチャートである。本発明は、半導体パ
ッケージを構成上いくつかの基本的なタイプに分類し、
各タイプはその構成部品の代表的な寸法を設定した半導
体パッケージタイプを代表する複数の基本モデルなるも
のを有す。その基本モデルの中から選択し、パッケージ
構成部品の寸法を書き換え、材料を特定することによ
り、解析対象の仮想の解析用モデルを作成する。材料設
定には、材料、材料定数などが登録されたファイル（デ
ータベース）から番号で指定するため、極めて容易であ
る。この寸法・材料入力時に、複数の条件を一度に設定
でき、同時に複数の解析用モデルを作成できることが、
本発明の大きな特徴の一つである。

【００１３】次に、作成した複数の解析用モデルの応力
の解析を、有限要素法により一斉に行う。本発明による
システム上のグラフ設定画面において、縦軸・横軸など
グラフ作成条件を設定した後、先の解析結果を画面上に
グラフとして表示させることができる。部品の寸法や材
料など設計因子の条件を変えることにより、解析された
モデルの応力がどのように変化するかを画面上で確認で
きる。また、材料を入力する画面において用いたファイ
ルには材料強度のデータも格納されているため、有限要
素法による解析結果の応力値を表すこのグラフに、構成
部品の材料強度の値を示すこともでき、応力の低い割れ
が生じない最適な寸法や材料を知ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明による詳細な半導体パッケージ
の応力解析方法および設計方法について、本発明の一実
施例により図面を参照して説明する。

【００１５】図２は、本発明の応力解析システムにおけ
る作業手順のメニューと作業の選択を行う画面の一実施
例である。メニューは上から作業手順に沿って並んでお
り、解析用のデータ作成、データ確認（解析モデルの形
状を示すメッシュ図）、有限要素法による応力解析開
始、解析進行状態および解析終了の確認、結果（グラ
フ）出力を行う。

【００１６】まず、解析用モデル作成のためのデータを
作成する。図３は、本発明の応力解析システムにおける
部品の寸法入力の画面の一実施例である。半導体パッケ
ージタイプごとに解析用モデルの基本となる基本モデル
とその構成部品の代表的な寸法が画面に表示されるた
め、モデル図を見ながら寸法の数字を書き換えるだけ
で、解析用モデルの形状を指定することができる。図３
に、ＴＷＳＯＰ（ＴｈｉｎＳｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ
Ｐａｃｋａｇｅ ｗｉｔｈ Ｗｉｎｄｏｗ，ＤＩＰ
型）のパッケージタイプを指定した場合の画面を一例と
して挙げ、ＴＷＳＯＰの解析用基本モデルとその代表的
な寸法および寸法を書き換えた例を表示する。図３に
は、基本モデルとしてＴＷＳＯＰの他に、ＰＧＡ（Ｐｉ
ｎ ＧｒｉｄＡｒｒａｙ），ＰＰＧＡ（Ｐｌａｓｔｉｃ
Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ），ＱＦＰ（Ｑｕａｄ
Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）などを示したが、これは
一実施例であり、基本モデルおよび基本モデルの代表的
寸法が登録されたファイルとも追加入力、書き換え、削
除など編集を行え、作成した解析モデルを基本モデルの
一つとして記憶させ、再活用することもできる。

【００１７】また、寸法を変えて複数のモデルを作成し
たい場合には、寸法入力の行に、図３中のｅ行、ｉ行の
ように複数の寸法条件の数字を書き並べることにより、
同時に列の数だけ複数のモデルを指定できる。そのた
め、従来のようにモデル作成を繰り返す必要がなく、寸
法など設計条件の変化に伴う応力の変化を一度に調べる
ことができる。

【００１８】図４は、本発明の応力解析システムにおい
て部品の材料を入力する画面の一実施例である。本発明
は、材料名と材料定数（弾性率、熱膨張係数、ポアソン
比など）、材料強度（破断する際の単位面積当たりの
力、破断応力）が登録されたファイル（データベース）
を有するため、各部品の材料は材料のファイル番号で指
定する。また、先の寸法入力画面と同様に、この材料入
力画面においても、番号入力の行に複数の材料条件のフ
ァイル番号を書き並べることにより、同時に複数のモデ
ルを指定できる。このように、複数の解析データを容易
に短時間で作成できるため、設計者に熟練の必要はな
く、設計の初心者でも容易に作業を行うことができる。
また、材料定数などが登録されたこのファイルも、先の
基本モデルと同様に、追加入力、書き換え、削除など編
集を行え、作成した解析モデルに用いた材料設定条件を
このファイルに記憶させることができる。

【００１９】図５は、パッケージタイプの指定と、部品
の寸法および材料の入力データを基に作成された解析用
モデルの形状を示すメッシュ図画面の一実施例である。
これにより、解析対象のモデルを確認することができ
る。

【００２０】次に、以上の工程により作成された仮想の
解析用モデルの、有限要素法による応力解析を行う。本
発明の有限要素法による応力解析自体は、従来の構造解
析に広く利用されているものと同じであり、本発明の応
力解析システムがインストールされているのと同じワー
クステーション上に、同じくインストールされている市
販の有限要素法による汎用解析ソフトウェアの解析機能
を活用する構成になっている。本発明はパッケージタイ
プ別の基本モデルの有限要素法による応力解析システム
を有し、図２のメニュー画面で、“解析”を指定するだ
けで、先の入力データにより作成された複数のモデルに
対する解析が一斉に開始される。従来のように、ソフト
ウェア固有の解析モードに入ってコマンドを入力するな
どの専門知識は必要ない。

【００２１】次に、解析結果のグラフ表示を行う。図６
は、解析結果をグラフ表示させるグラフの軸などを設定
する画面の一実施例である。グラフの軸には、応力解析
結果や、パッケージを構成する各部品の寸法、材料定数
などを自由に組み合わせて指定できる。よく使うグラフ
の設定値を図６中の既定値として登録でき、これにより
グラフの作成がより簡便になる。

【００２２】図７は、部品の寸法条件や材料など設計条
件を変化させた複数のモデルの解析結果を、図６の画面
で指定したグラフの設定にもとづきグラフ化した画面の
一実施例である。図７には、グラフの一例として、縦軸
にキャップの応力、横軸にキャップ厚さをベース厚さで
割った値をとったグラフを示す。部品の寸法や材料など
設計因子の条件をかえることにより、有限要素法により
解析されたモデルの応力がどのように変化するかを画面
上で認識することができる。また、図４の材料を入力す
る画面において用いたファイルには材料強度のデータも
格納されているため、解析結果の応力値を表すこのグラ
フに構成部品の材料強度の値を示すこともでき、応力の
低い割れが生じない最適な寸法や材料を知ることができ
る。また本発明は、解析結果をもとに、寸法・材料定数
をどのように変更すれば応力が小さくなるかを知らせる
ウィンドウを表示させる構成としてもよく、解析結果と
材料強度の比較を自動的に行い、割れると予想される部
品の有無を知らせるメッセージを出すような構成とする
こともできる。

【００２３】本発明によれば、複数のモデルの解析を同
時に行い、その結果を簡単な操作でしかも短時間で１枚
のグラフに表示させることができるため、従来のように
解析を繰り返しながら、手でグラフ化する必要がない。

【００２４】表１は、本発明の応力解析システムを実際
にＴＷＳＯＰ半導体パッケージ設計に使用し、従来の方
法と効果を比較した例である。設計は大きく分けると、
仮想解析モデルの作成、解析、結果表示の３段階に分け
られる。その中で最も時間を要すモデル作成は、本発明
によれば基本モデルおよび材料定数などが登録されたフ
ァイルを有し、また複数のモデルを同時に作成できるた
めに、従来１２回であったモデル作成回数が３回の寸法
入力作業で済み、従来と比較して１００分の１以下に作
業時間を短縮することができる。解析においても、本発
明によれば従来のように解析モードやコマンドなど専門
知識を要さず、また複数のモデルを同時に解析できるた
め、短時間で行える。また、結果表示においても、本発
明によれば、よく使うグラフの設定は図６の既定値に登
録でき、解析を行うのと同じシステム上でグラフ設計、
表示を行える機能を有するため、初心者でもグラフを容
易に作成できる。

【００２５】

【表１】

【００２６】また、応力解析およびパッケージ設計に対
し経験のない初心者が使用することを想定し、本発明
を、作業の順番を知らせるガイドを各画面またはメニュ
ーに表示させる構成としてもよく、また作業の順番を示
すフローチャート上に、現在の作業状態を点滅で示す画
面を表示させる構成としてもよい。

【００２７】本発明は、本発明の解析システムをワーク
ステーション上にインストールし、同じくインストール
されている有限要素法による汎用解析ソフトウェアの解
析機能を活用する構成になっている。本実施例では、汎
用解析ソフトウェアとして、Ｓｗａｓｏｎ Ａｎａｌｙ
ｓｉｓ Ｉｎｃ．製のＡＮＳＹＳ（商標）を使用した。
本発明は、解析ソルバを有する様々な汎用解析ソフトウ
ェア（ＡＢＡＱＵＳ、ＮＡＳＴＲＡＮなど）と組み合わ
せて使用することができ、さらに、同じマシン、または
コンピュータネットでつながった別のマシン上にインス
トールされている汎用解析ソフトウェアと組み合わせ
て、その解析機能を活用することもできる。

【００２８】また本発明は、応力解析ばかりでなく、熱
伝導、振動、流体解析など有限要素法解析ソフトウェア
のプリ・ポストプロセッサとして、モデル作成の効率化
および複雑なグラフ作成を行う際にも有効である。

【００２９】

【発明の効果】以上のとおり、本発明は、複数のモデル
作成および解析を一斉に行い、解析結果をグラフ化する
ツールを有するため、本発明によれば、半導体パッケー
ジ設計のためのモデル化、解析、結果表示を簡単な操作
で、かつ短時間で行うことができ、従来に比べ、材料お
よび工数の大幅な削減が実現できる。

【００３０】さらに、従来の汎用解析ソフトウェアによ
る応力解析にはかなりの熟練が必要であったが、本発明
の応力解析システムによれば、経験のない設計者でも簡
単に応力解析ができる。従来のように汎用解析ソフトウ
ェアに熟練した設計技術者を育成する必要がなくなり、
コストを削減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体パッケージの設計手順を示
すフローチャート。

【図２】本発明における作業手順のメニュー画面の一実
施例を示す模式図。

【図３】本発明における寸法入力画面の一実施例を示す
模式図。

【図４】本発明における材料入力画面の一実施例を示す
模式図。

【図５】本発明の実施例において作成された解析用モデ
ルの形状を示す画面の一実施例を示す模式図。

【図６】本発明におけるグラフ設定画面の一実施例を示
す模式図。

【図７】本発明におけるグラフ出力画面の一実施例を示
す模式図。

【図８】（ａ）は、代表的な半導体パッケージの設計因
子（寸法・材料）の一例を示す表。（ｂ）は、代表的な
半導体パッケージの構成の一例を示す断面図。

【図９】従来の応力解析による半導体パッケージの設計
手順を示すフローチャート。

【符号の説明】

１ チップ ２ ベース ３ マウント材 ４ キャップ ５ 封止ガラス ６ リードフレーム

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】有限要素法による半導体パッケージ設計用
   応力解析システムであって、 半導体パッケージを構成上複数のタイプに分類し、前記
   各タイプの構成部品の代表的な寸法を設定した基本モデ
   ルと、 前記基本モデルを構成する部品の代表的な寸法を書き換
   えるか、あるいは前記代表的な寸法に新たな寸法を付け
   加えることにより、解析対象である単数または複数の解
   析用モデルのリードフレーム部品を含む構成部品の寸法
   を設定入力する手段と、 半導体パッケージの構成部品の材料定数が登録されたフ
   ァイルと、前記ファイルから前記解析用モデルの構成部
   品の材料を単数または複数指定入力する手段と、 前記寸法入力手段と前記材料入力手段により作成される
   単数または複数の前記解析用モデルを、有限要素法によ
   り応力解析する手段と、 前記応力解析結果をグラフ表示する手段を有することを
   特徴とする半導体パッケージ設計用応力解析システム。
2. 【請求項２】前記グラフ表示手段が、前記応力解析結果
   と、前記解析用モデルを構成する各部品の材料強度を同
   一グラフ上に表示することを特徴とする請求項１記載の
   半導体パッケージ設計用応力解析システム。
3. 【請求項３】前記グラフの軸に、前記応力解析結果、ま
   たは前記部品の寸法、または前記材料定数、または前記
   応力解析結果と前記部品の寸法と前記材料定数のいずれ
   かの組み合わせをとることを特徴とする請求項１または
   請求項２記載の半導体パッケージ設計用応力解析システ
   ム。
4. 【請求項４】有限要素法による半導体パッケージ設計用
   応力解析方法であって、 半導体パッケージを構成上複数のタイプに分類し、前記
   各タイプの構成部品の代表的な寸法を付与した基本モデ
   ルを作成する工程と、 前記基本モデルより解析対象のタイプを選択し、前記基
   本モデルの構成部品の代表的な寸法を単数または複数書
   き換えるか、あるいは前記代表的な寸法に新たな寸法を
   付け加えることにより、解析対象である単数または複数
   の解析用モデルのリードフレーム部品を含む構成部品の
   寸法を設定する工程と、 半導体パッケージの構成部品の材料定数が登録されたフ
   ァイルから、前記解析用モデルの構成部品の材料を単数
   または複数指定入力する工程と、 前記寸法設定工程と前記材料指定工程により作成される
   単数または複数の前記解析用モデルを、有限要素法によ
   り応力解析する工程と、 前記応力解析結果をグラフ表示する工程を有し、 前記寸法設定工程と前記材料指定工程において各々単数
   または複数の条件設定を行い、同時に単数または複数の
   前記解析用モデルを作成かつ応力解析することを特徴と
   する半導体パッケージ設計用応力解析方法。
5. 【請求項５】前記応力解析結果と、前記解析用モデルを
   構成する各部品の材料強度とを比較する工程を有するこ
   とを特徴とする請求項４記載の半導体パッケージ設計用
   応力解析方法。