WO2005088483A1 - 電子パッケージ信頼性予測装置および電子パッケージ信頼性予測プログラム - Google Patents

電子パッケージ信頼性予測装置および電子パッケージ信頼性予測プログラム Download PDF

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Hidehisa Sakai
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Fujitsu Limited
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/18—Chip packaging

Definitions

  • the present invention relates to an electronic package reliability prediction device and an electronic package reliability prediction program for predicting the reliability of an electronic package at the stage of designing the electronic package.
  • CSP Chip size Package: LSI package with almost the same outer dimensions as a chip
  • the solder joints of electronic packages such as these BGA package CSPs are usually called “micro joints”.
  • the solder joints of these electronic packages are exposed to stress such as temperature change and drop impact, the electronic package including the above solder joints must be applied to actual products. It is necessary to fully evaluate the overall strength reliability.
  • CAE Computer Aided Engineering: Design of industrial products
  • FEM Simulation finite element analysis
  • Patent Literature 1 and Patent Literature 2 below various techniques have been conventionally considered for performing high-speed simulation of the strength evaluation of the entire electronic package.
  • Patent Document 1 discloses a method of analyzing a semiconductor package mounting structure in which a thermal strain simulation and a life prediction of a solder joint are analyzed accurately in a short time using a structural model in which a BGAZCSP is mounted on a printed wiring board. Have been.
  • this method of analyzing a semiconductor knockout mounting structure the life of a solder joint of an electronic package is predicted by performing a simulation using a two-dimensional plane model.
  • a technique for predicting life by ordinary two-dimensional analysis is known, and is disclosed in Patent Document 1. Adjusts the setting of the thickness direction parameter for 2D analysis to match the actual phenomenon.
  • Patent Document 2 when the life expectancy of an electronic package is predicted by three-dimensional analysis, a rough analysis of the analysis model is performed by a coarse model in order to perform the three-dimensional analysis more accurately and efficiently.
  • IC An IC package analysis method is disclosed in which an attention area is determined by this rough analysis, a detailed model is created, and a high-precision analysis is performed at high speed by analyzing the detailed model.
  • Patent Document 1 JP-A-2000-304630
  • Patent Document 2 JP-A-2000-99550
  • a general designer or a factory worker can easily evaluate the strength of an electronic package without performing a simulation by using an analysis result performed by an expert, and It is an object of the present invention to provide an electronic package reliability prediction device and an electronic package reliability prediction program capable of predicting reliability.
  • the present invention provides an electronic package reliability prediction device including the following means.
  • a package modeling database having data relating to the shape of an electronic package and modeling specifications of the electronic package
  • Parameter setting means for accepting input of parameters for the type, dimensions, material selection and evaluation conditions of the electronic package, and characteristics of the material specified by the input parameters.
  • Modeling means for generating a simulation model based on the reliability data and the parameters of the dimensions of the electronic package,
  • Simulation execution means for executing a simulation under specified conditions specified by the input parameters based on the simulation model generated by the modeling means
  • Simulation result evaluation means for storing and accumulating, in an evaluation result database, the above input parameters and the evaluation results obtained by evaluating the simulation results for each type of the electronic package.
  • An evaluation formula generating means for generating an approximate expression of the evaluation result with respect to the input parameters for the plurality of evaluation results stored in the evaluation result database in a predetermined amount, and using the approximate expression as an evaluation formula
  • An electronic package reliability prediction unit comprising: an evaluation prediction unit that outputs an evaluation prediction result by the evaluation expression when an electronic package in which the evaluation expression is already constructed is designated by the input parameters.
  • An apparatus is provided.
  • the evaluation formula generation means has a function of updating the evaluation formula every time the simulation is performed and the simulation result is added.
  • the electronic package reliability prediction apparatus of the present invention uses an orthogonal polynomial based on an experimental design for generating an initial evaluation formula with respect to the construction of the above evaluation formula. Updates are now based on least squares.
  • the present invention provides a computer having a package modeling database having data relating to the shape of an electronic package and modeling specifications of the electronic package, and a material database having characteristic data of the material of the electronic package.
  • Parameter setting means for receiving input of parameters of the type, dimensions, material selection and evaluation conditions of the electronic package;
  • a simulation execution means for executing a simulation under specified conditions specified by the above-mentioned input parameters based on the generated simulation model; and a simulation result obtained as a result of the above-mentioned simulation being set to a predetermined evaluation condition.
  • a simulation result evaluation means for evaluating and evaluating the simulation results based on each of the electronic package types and storing and storing the input parameters and the evaluation results obtained by evaluating the simulation results in an evaluation result database.
  • An evaluation formula generating means for generating an approximate expression of the evaluation result with respect to the input parameters for the plurality of evaluation results stored in the evaluation result database in a predetermined amount, and using the approximate expression as an evaluation formula
  • the parameter setting unit, the modeling unit, the simulation execution unit, the simulation result evaluation unit, the evaluation formula generation unit, and the evaluation prediction unit that constitute the electronic package reliability prediction device of the present invention described above include:
  • the program may be stored in a storage unit such as a RAM (random 'access' memory) or a ROM (read-only memory) of the computer in advance, and may be configured by a program.
  • the parameter setting means, the modeling means, the simulation executing means, the simulation result evaluating means, the evaluation expression generating means, and the evaluation predicting means execute a program stored in a storage part of the computer in advance by a CPU of the computer. (Central Processing Unit: Central Processing Unit) and so on.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of division by a standard mesh when evaluating a solder joint by a finite element method.
  • FIG. 3 is an input screen diagram showing a first example (part 1) of an input screen when parameter input is performed interactively.
  • FIG. 4 is an input screen diagram showing a first example (part 2) of an input screen in the case of interactively inputting parameters.
  • FIG. 5 is an input screen diagram showing a second example (part 1) of an input screen in the case of interactively inputting parameters.
  • FIG. 6 is an input screen diagram showing a second example (part 2) of an input screen in the case of interactively inputting parameters.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example of automatic generation of a simulation model by a finite element method.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of calculating a fatigue life cycle.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of parameters input to generate an approximate evaluation expression.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of evaluation results of a fatigue test of a solder joint.
  • FIG. 11 is a graph showing a relationship between a fatigue life cycle and a strain amplitude.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of the present invention
  • FIG. It is a conceptual diagram which shows the example of division
  • the configuration of the electronic package reliability prediction device according to the present invention is shown in a simplified manner.
  • the package modeling database 1 that holds data on the shape of the electronic package and the modeling specifications of the electronic package, and the physical properties (material properties) of the materials of the electronic package.
  • a material property database 2 that has data is prepared.
  • the number of electronic packages to be evaluated is limited to several representative packages, and the package modeling database 1 is configured.
  • FC—BGA Flip-Chip BGA
  • OMPAC Over Molded Pad Array Carrier
  • FBGA Full Molded Pad Array Carrier
  • EBGA Enhanced BGA
  • TabBGA Tape-Automated Bonding BGA
  • Flip—Chip—C4 flip chip C4 and the like.
  • the modeling method of various electronic packages that the simulation specialist has been modeling is classified, and important modeling techniques that affect the simulation result evaluation are standardized in advance.
  • the finite element method which is a typical simulation method
  • the entire region of the simulation model is divided into a plurality of sub-regions called meshes.
  • the simulation result obtained as a result of performing the simulation is affected by the size of the sub-region at the time of division by the mesh, that is, the mesh size. Therefore, it is necessary to standardize the mesh size of an important point in performing the reliability evaluation in advance.
  • FIG. 2 illustrates a mesh size of a standard mesh when the solder joint of the electronic package is evaluated by the finite element method.
  • the solder joints Sl, ..., S4, ..., S7, ..., SN between the pad PA and the solder SO in Fig. 2, each standard mesh , Where N is any positive integer
  • each standard mesh Where N is any positive integer
  • each standard mesh Where N is any positive integer
  • the enclosure is determined in advance. If a value outside the valid range is specified, the system should output a warning message to prevent the wrong range from being entered.
  • the material property database 2 shows the material properties such as the elastic modulus (Young's modulus) and the coefficient of linear expansion of the material constituting the electronic package, which are necessary for the simulation of the reliability evaluation.
  • Data material property values are set for all defined materials and stored in advance.
  • the parameter setting means 3 receives the input (A) of the type, dimensions, material selection, and evaluation conditions of the electronic package, and the package modeling database 1 and the material The necessary data is extracted from the physical property database 2 and passed to the modeling means 4.
  • the above parameter setting means 3 can be configured by a predetermined program built in a computer system. As shown in Fig. 3 to Fig. 6 below, inputting the parameters as described above can be performed easily and without error if the user and the input screen are interactively performed.
  • FIGS. 3 and 4 are input screen diagrams showing the first and second examples of the first example of the input screen in the case of interactively inputting the parameters.
  • FIGS. 5 and 6 show the parameter screens.
  • FIG. 9 is an input screen diagram showing first and second examples of a second example of the input screen in the case where the input is performed interactively.
  • the input screen shown in Fig. 3 is an example of the start screen, and the user can create a new database or click on an existing link by clicking on the link displayed as "User power ⁇ New" or "Existing". You can specify whether to open the database.
  • the input screen shown in Fig. 4 is a screen for specifying the type of package to be analyzed from the displayed electronic packages after opening the existing database. In the example of FIG. 4, one of “C type BGA”, “Tape BGA”, and “EBGA” is specified by the user from the types of the BGA package.
  • the input screen of FIG. 5 is an example of a sequential, interactive input screen for parameters of dimensions (Dimensions) representing characteristics of components of the electronic package and load conditions.
  • the user sequentially and interactively inputs the specified dimensions (width W, length L and thickness T) of the specified knock target for evaluation for each target load with reference to the displayed sample diagram.
  • Load conditions such as temperature and load Cases are also defined interactively.
  • the material names of the material data retrieved from the material property database 2 are displayed (for example, AL, AL203, ALC, ALLOY42, and ALN).
  • the user interactively selects the materials (e.g., ALLOY42) for the components of the electronic package to be evaluated with reference to the material names of the material data displayed on the input screen in Fig. 6 to obtain the material property database. Make an interactive choice from 2.
  • material property data such as the elastic modulus (Young's modulus), Poisson's ratio, and coefficient of thermal expansion of the material selected by the user are extracted from the material property database 2 and displayed.
  • the modeling means 4 generates the simulation model (B) based on data specified by the user (for example, dimensional parameters and material property data of the electronic package specified by the user). Generate.
  • the above-mentioned modeling means 4 can be constituted by a predetermined program built in the computer system.
  • the simulation executing means 5 executes the simulation based on the simulation model (B) generated by the modeling means 4 under the conditions specified by the user.
  • the above-mentioned simulation executing means 5 can be constituted by a predetermined simulation program built in the computer system.
  • Figure 7 below shows a sample of automatic generation of a simulation model by the finite element method.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example of automatic generation of a simulation model by the finite element method.
  • the three-dimensional simulation model in Fig. 7 is automatically created by dividing the structure including the solder joints of the electronic package to be evaluated into multiple meshes using the aforementioned modeling means 4 (Fig. 1). It has been generated.
  • a simulation can be executed on the simulation model generated in this manner by using, for example, a structural analysis simulator such as a finite element method solver.
  • evaluation criteria evaluation conditions
  • the evaluation method of the simulation result (C) obtained as a result of performing the simulation by the simulation executing means 5 referring to past simulation cases.
  • Set the evaluation criteria in advance It is desirable. For example, regarding the evaluation of simulation results in places where stress concentrates and the simulation results fluctuate extremely, such as the joint interface of solder joints, the simulation results (C) in the area 100 m from the interface are considered. Average.
  • evaluation criteria such as fracture / fatigue life are set in advance. For example, the destructive stress at the joint interface between the pad and the solder is defined as 100MPa (megapascal).
  • Such evaluation criteria are stored in a database and compiled as an evaluation criteria database 9.
  • the simulation result evaluation means 6 evaluates a simulation result obtained as a result of the simulation based on the above evaluation criteria.
  • the above-described simulation result evaluation means 6 can be configured by a predetermined program built in a computer system. For example, when the failure determination is performed by the simulation result evaluation means 6, the presence or absence of breakage of the electronic package is determined, and when calculating the fatigue life of the electronic package, the number of fatigue life cycles is determined, and the screen is displayed. To be displayed.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of calculating a fatigue life cycle.
  • the simulation result evaluation means 6 determines the input parameter and the simulation result.
  • the data on the evaluation results such as stress, strain, and fatigue life cycle, etc., which are evaluated by the above, are registered in the evaluation result database (D).
  • the evaluation formula generation means 7 in Fig. 1 calculates the combined power S of the input parameters and the simulation evaluation result data for the same type of electronic package, and the number of input parameters.
  • the evaluation expression generating means 7 can be constituted by a predetermined program built in a computer system.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of parameters input to generate an approximate evaluation formula.
  • the approximate evaluation formula for example, the evaluation formula of the maximum stress (evaluation stress) SA generated in the sample of the no-metal electronic package having the two-layer structure force shown in Fig. 9 is taken.
  • the maximum stress SA at this time is expressed as a function of each input parameter as follows.
  • equation (1) Since the inputtable range of each input parameter is limited to some extent, it is possible to approximate equation (1) with a second-order polynomial (orthogonal polynomial) approximately as follows.
  • SA a + ax + ax 2 + by + by 2 +----+ d ⁇ ⁇ + d ( ⁇ ⁇ ) 2 (2)
  • a, a, a, b, b, '.', D, and d are unknown coefficients. According to equation (2), if a combination of the number of input parameters equal to the number of unknown coefficients and the evaluation result SA is obtained, the unknown coefficients can be uniquely determined. When a combination exceeding the number of unknown coefficients is obtained, the unknown coefficients can be estimated with high accuracy by a method such as the least squares method.
  • the evaluation predicting means 8 sets the evaluation expression ((E) when an electronic package of a type in which a similar evaluation expression has already been constructed is specified by the parameter input by the user. Predict the result using E).
  • the prediction result predicted by the evaluation formula (E) is output from the evaluation prediction means 8 (predicted output (F) in FIG. 1). If a predetermined number of data are accumulated in the evaluation result database (D) and an evaluation formula based on the data is already created, it is possible to predict stress, strain, fatigue life cycle, etc. with a certain degree of accuracy. Can be. As a result, it is possible to obtain an evaluation result with a certain degree of accuracy without performing a simulation that requires a long calculation time.
  • the above-described evaluation prediction means 8 can be configured by a predetermined program built in a computer system.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of evaluation results of a fatigue test of a solder joint
  • FIG. 11 is a graph showing a relationship between a fatigue life cycle and a strain amplitude.
  • a white dot indicates the relationship between the fatigue life cycle Nf and the strain amplitude ⁇ (the change in strain amplitude per cycle of the fatigue life cycle Nf).
  • the dots in the black circles are the results of the thermal fatigue test, plotted in the relationship between the fatigue life cycle Nf and the strain amplitude ⁇ .
  • the white square dots indicate the three-point bending fatigue
  • the evaluation results of the test (BGA assembly) are plotted in the relationship between the fatigue life cycle Nf and the strain amplitude ⁇ .
  • the graph of Fig. 11 illustrates the relationship between the fatigue life cycle (cycle) and the strain amplitude (absolute value).
  • the white triangular dots show the calculated values of the strain amplitude m) based on the analysis values obtained by evaluating the simulation results.
  • the white square dot indicates the value (mm) of the strain amplitude based on the evaluation formula (approximation formula) using an approximate straight line. It is calculated. If a plurality of evaluation results are accumulated in the evaluation result database (D) by a predetermined amount, it can be understood that the values on both graphs almost match.
  • the electronic package reliability estimating apparatus of the present invention it is possible to obtain a constant and stable evaluation result by evaluating the simulation result, and further, it is possible to obtain a material characteristic, a simulation or the like by a user. It is possible to evaluate an electronic package only with knowledge of the package structure of the electronic package without requiring special knowledge of the electronic package. On the other hand, for electronic packages for which approximate evaluation formulas have already been constructed, it is possible to obtain evaluation results with a certain degree of accuracy in a very short time without performing a simulation.

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Abstract

　電子パッケージの信頼性を予測する電子パッケージ信頼性予測装置が、電子パッケージの形状とモデリング仕様のデータと材料の特性データを保有するデータベースと、電子パッケージの種類、寸法、材料選択および評価条件のパラメータの入力を受け付けるパラメータ設定部と、入力パラメータにて指定された材料の特性データと寸法のパラメータによりシミュレーションモデルを生成するモデリング部と、シミュレーションモデルに基づき、指定の条件でシミュレーションを行うシミュレーション実行部と、シミュレーション結果を所定の評価条件にて評価し、評価結果データベースに蓄積するシミュレーション結果評価部と、複数の評価結果が蓄積されているものについて、入力パラメータに対する評価結果の近似式を生成し評価式とする評価式生成部と、評価式が既に構築されている電子パッケージに関して、当該評価式により評価予測結果を出力する評価予測部とを有する。

Description

明 細 書
電子パッケージ信頼性予測装置および電子パッケージ信頼性予測プロ グラム
技術分野
[0001] 本発明は、電子パッケージの設計段階において当該電子パッケージの信頼性を予 測する電子パッケージ信頼性予測装置および電子パッケージ信頼性予測プログラム に関するものである。
背景技術
[0002] パーソナルコンピュータ（以下、パソコンと略記する）、携帯電話等に代表される電 子機器は年々高密度化および高集積化が進んでおり、これらの電子機器に搭載さ れる電子パッケージのピッチ（隣り合う端子間の間隔）の微細化も同時に進んでいる。 こうした電子パッケージの高密度化および高集積化 (すなわち、小型化）が進むにつ れて、実装部品の信頼性、特にはんだ接合部の信頼性が懸念されている。多数の実 装部品を高密度で実装するために、 BGA (Ball Grid Array：表面実装型パッケージ の一種であり、プリント配線基板の裏側に球形のはんだをアレイ状に並べ、リード端 子の代わりにした構造を有するもの）パッケージや CSP (Chip size Package:チップと ほぼ同じ外形寸法の LSIパッケージ）が広く用いられている。これらの BGAパッケ一 ジゃ CSP等の電子パッケージのはんだ接合部は、通常、「マイクロ接合部」と呼ばれ ている。し力しながら、これらの電子パッケージのはんだ接合部は温度変化や落下衝 撃等のストレスにさらされるため、実際の製品に適用するためには、上記のはんだ接 合部等を含めた電子パッケージ全体の強度信頼性について十分評価を行う必要が ある。
[0003] 上記のような電子パッケージのマイクロ接合部の強度の評価方法として、有限要素 解析（FEM Simulation)等のシミュレーション技術をベースとした CAE (Computer Aided Engineering:工業製品の設計'開発時に行われるコンピュータによる数値解析 やシミュレーション)システムによる評価方法がある。今日では、新規パッケージの設 計'開発においては、 CAEシステムによる評価を行うことが普通になっている。しかし ながら、一方で、電子パッケージの構造は複雑であり、シミュレーションモデルの作成 やシミュレーションの計算に時間が力かるという問題がある。さらに、例えば、はんだ 接合部に対するシミュレーションでは、はんだ作成用の材料がクリープ変形等の非線 形変形をおこすため、適切な材料物性データの収集が困難である。さらにまた、シミ ユレーシヨンの設定が複雑であり、有限要素法等の各プログラムコードに関する専門 知識が必要である。これらの問題により、一般設計者や工場作業者等の、上記のよう なはんだ接合部の強度等に関する情報を最も必要とする担当者が直接シミュレ一シ ヨンによる評価を行うことは困難であった。
[0004] シミュレーション結果の評価に関しても、はんだ接合部等の接合部では、最大応力 や最大ひずみが発生する箇所が他の材料との接合界面端部となるため、この接合界 面端部が応力特異場となり、シミュレーションモデルの作成方法によって、最大応力 や最大ひずみの値が大きく変化する。すなわち、シミュレーションモデルを作成する ためのモデリング方法と、実際にシミュレーションを行った結果として得られるシミュレ ーシヨン結果の評価に対する専門知識が必要である。
[0005] また一方で、電子パッケージ全体の強度評価のような、マイクロ接合部等の微小接 合部分と電子パッケージ全体を同時に評価するようなシミュレーションでは、シミュレ ーシヨンモデルの規模が大きくなり、シミュレーションの計算に多大な時間を要する。 特に、必要なシミュレーション結果を得るまでに数日を要するものがあり、迅速な評価 および設計変更に対する遅延の原因となっている。
例えば、下記の特許文献 1および特許文献 2に記載されているように、電子パッケ ージ全体の強度評価等に関するシミュレーションを高速ィ匕するための手法は、従来 から色々考えられている。
[0006] 特許文献 1においては、 BGAZCSPをプリント配線基板へ実装した構造モデルを 用いて、はんだ接合部の熱ひずみシミュレーションおよび寿命予測を短時間で精度 良く解析する半導体パッケージ実装構造の解析方法が開示されている。この半導体 ノ ッケージ実装構造の解析方法では、 2次元平面モデルを用いたシミュレーションを 実施することによって、電子パッケージのはんだ接合部の寿命予測を行うようになつ ている。通常の 2次元解析によって寿命予測を行う技術は公知であり、特許文献 1で は、 2次元解析を行う際の厚さ方向パラメータの設定を実際の現象に合うように調整 している。
[0007] 特許文献 2においては、 3次元解析により電子パッケージの寿命予測を行う場合に 、 3次元解析をより精度良くかつ効率的に行うために、粗モデルにより解析モデルの 概略的な解析を行 ヽ、この概略的な解析により注目領域を決めて詳細モデルを作成 し、この詳細モデルの解析を行うことによって、精度の高い解析を高速にて行う ICパ ッケージ解析方法が開示されている。
[0008] 特許文献 1：特開 2000— 304630号公報
特許文献 2：特開 2000 - 99550号公報
[0009] しかしながら、特許文献 1および特許文献 2等に記載されているような従来の手法 により、有限要素解析等のシミュレーション技術をベースとした CAEシステムにより電 子パッケージを一般的に評価しょうとすると、材料物性データ (材料物性値)の収集 が困難であること、電子パッケージのパッケージ構造が複雑で解析モデルの作成が 容易でないこと、シミュレーションに要する時間が多大であること、そして、専門知識 がないとシミュレーションによる評価ができないことが問題点として生じてくる。
発明の開示
[0010] 本発明は、専門家が行った解析結果を利用することにより、一般設計者や工場作 業者等がシミュレーションを行わずに容易に電子パッケージの強度評価等を行って 当該電子パッケージの信頼性を予測することができるような電子パッケージ信頼性予 測装置および電子パッケージ信頼性予測プログラムを提供することを目的とする。
[0011] 上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を備えた電子パッケージ信頼 性予測装置を提供する。
[0012] すなわち、本発明では、電子パッケージの形状と上記電子パッケージのモデリング 仕様に関するデータを保有するパッケージモデリングデータベースと、
上記電子パッケージの材料の特性データ (材料物性データ)を保有する材料物性 ケ' ~~タべ' ~~スと
上記電子パッケージの種類、寸法、材料選択および評価条件のパラメータの入力 を受け付けるパラメータ設定手段と、入力されたパラメータにより指定された材料の特 性データおよび上記電子パッケージの寸法のパラメータに基づ 、て、シミュレーショ ンモデルを生成するモデリング手段と、
上記モデリング手段により生成されたシミュレーションモデルに基づき、上記の入力 されたパラメータにより指定された指定の条件でシミュレーションを実行するシミュレ ーシヨン実行手段と、
上記シミュレーション実行手段によりシミュレーションを行った結果として得られるシ
Figure imgf000006_0001
、て評価し、上記電子パッケージの種 類毎に、上記の入力されたパラメータと、上記シミュレーション結果を評価して得られ る評価結果とを評価結果データベースに保存して蓄積するシミュレーション結果評価 手段と、
上記評価結果データベースに複数の評価結果が所定の量だけ蓄積されているも のについて、上記の入力されたパラメータに対する評価結果の近似式を生成して評 価式とする評価式生成手段と、
上記の入力されたパラメータにより、上記評価式が既に構築されている電子パッケ ージが指定されたときに、上記評価式により評価予測結果を出力する評価予測手段 とを備えた電子パッケージ信頼性予測装置が提供される。
[0013] 好ましくは、本発明の電子パッケージ信頼性予測装置において、評価式生成手段 は、上記シミュレーションが実施されて上記シミュレーション結果が追加されるたびに 、上記評価式を更新する機能を有する。
[0014] さらに、好ましくは、本発明の電子パッケージ信頼性予測装置は、上記評価式の構 築に関して、初期の評価式の生成に実験計画法に基づく直交多項式を用い、その 後の評価式の更新につ!、ては最小 2乗法に基づくようになって 、る。
[0015] また一方で、本発明は、電子パッケージの形状と上記電子パッケージのモデリング 仕様に関するデータを保有するパッケージモデリングデータベースと、上記電子パッ ケージの材料の特性データを保有する材料データベースとを有するコンピュータを、 上記電子パッケージの種類、寸法、材料選択および評価条件のパラメータの入力 を受け付けるパラメータ設定手段と、
入力されたパラメータにより指定された材料の特性データおよび上記電子パッケ一 ジの寸法のパラメータに基づ 、て、シミュレーションモデルを生成するモデリング手段 と、
生成されたシミュレーションモデルに基づき、上記の入力されたパラメータにより指 定された指定の条件でシミュレーションを実行するシミュレーション実行手段と、 上記シミュレーションを行った結果として得られるシミュレーション結果を所定の評 価条件に基づいて評価し、上記電子パッケージの種類毎に、上記の入力されたパラ メータと、シミュレーション結果を評価して得られる評価結果とを評価結果データべ一 スに保存して蓄積するシミュレーション結果評価手段と、
上記評価結果データベースに複数の評価結果が所定の量だけ蓄積されているも のについて、上記の入力されたパラメータに対する評価結果の近似式を生成して評 価式とする評価式生成手段と、
上記の入力されたパラメータにより、上記評価式が既に構築されている電子パッケ ージが指定されたときに、上記評価式により評価予測結果を出力する評価予測手段 として機能させるための電子パッケージ信頼性予測プログラムを提供する。
[0016] 換言すれば、前述の本発明の電子パッケージ信頼性予測装置を構成するパラメ一 タ設定手段、モデリング手段、シミュレーション実行手段、シミュレーション結果評価 手段、評価式生成手段、および評価予測手段は、コンピュータの RAM (ランダム 'ァ クセス 'メモリ）や ROM (読み出し専用メモリ）等の記憶部に予め保存されて 、るプロ グラムにより構成され得る。より詳しくいえば、上記のパラメータ設定手段、モデリング 手段、シミュレーション実行手段、シミュレーション結果評価手段、評価式生成手段、 および評価予測手段は、コンピュータの記憶部に予め保存されているプログラムをコ ンピュータの CPU (Central Processing Unit：中央演算処理装置）等により読み出し て実行させること〖こより実現される。
[0017] 本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)シミュレーション結果を評価することによって、一定の安定した評価結果を得る ことができる。
(2)ユーザは、材料特性やシミュレーション等に関する特別な知識を必要とすること なぐ電子パッケージのパッケージ構造に関する知識のみで電子パッケージの評価 を行うことが可能になる。
(3)評価式が既に構築されている電子パッケージに関しては、シミュレーションを実 施することなぐ極めて短時間で、ある程度の精度の評価結果を得ることが可能にな る。
図面の簡単な説明
[0018] 本発明を、添付の図面を参照して以下に説明する。ここで、
[図 1]図 1は、本発明の基本的な構成を示すブロック図である。
[図 2]図 2は、有限要素法ではんだ接合部の評価を行う際の標準メッシュによる分割 の例を示す概念図である。
[図 3]図 3は、パラメータの入力を対話的に行う場合の入力画面の第 1例 (その 1)を示 す入力画面図である。
[図 4]図 4は、パラメータの入力を対話的に行う場合の入力画面の第 1例 (その 2)を示 す入力画面図である。
[図 5]図 5は、パラメータの入力を対話的に行う場合の入力画面の第 2例 (その 1)を示 す入力画面図である。
[図 6]図 6は、パラメータの入力を対話的に行う場合の入力画面の第 2例 (その 2)を示 す入力画面図である。
[図 7]図 7は、有限要素法によるシミュレーションモデルの自動生成の例を示す概念 図である。
[図 8]図 8は、疲労寿命サイクルの計算の例を示す模式図である。
[図 9]図 9は、近似的な評価式を生成するために入力されるパラメータの例を示す模 式図である。
[図 10]図 10は、はんだ接合部の疲労試験の評価結果の例を示すグラフである。
[図 11]図 11は、疲労寿命サイクルとひずみ振幅との関係を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下、添付の図面（図 1一図 11)を参照しながら、本発明に係る電子パッケージ信 頼性予測装置の実施例を詳述する。
[0020] 図 1は、本発明の基本的な構成を示すブロック図であり、図 2は、有限要素法では んだ接合部の評価を行う際の標準メッシュによる分割の例を示す概念図である。ただ し、ここでは、本発明に係る電子パッケージ信頼性予測装置の構成を簡略化して示 す。
[0021] 図 1の電子パッケージ信頼性予測装置においては、電子パッケージの形状と上記 電子パッケージのモデリング仕様に関するデータを保有するパッケージモデリングデ ータベース 1と、電子パッケージの材料の物性 (材料の特性）に関するデータを保有 する材料物性データベース 2とが用意されている。
[0022] ここでは、評価の対象とする電子パッケージは、代表的パッケージ数種類に限定し 、パッケージモデリングデータベース 1を構成する。
[0023] 電子パッケージの例として、 FC— BGA (Flip-Chip BGA)、 OMPAC (Over Molded Pad Array Carrier)、 FBGA(Fine Pitch BGA)、 EBGA (Enhanced BGA)、 TabBGA (Tape-Automated Bonding BGA)、 Flip— Chip— C4 (フリップチップ C4)等が挙げ られる。
[0024] また一方で、シミュレーション専任者がモデリングを行っていた各種の電子パッケ一 ジのモデルィ匕方法を分類し、シミュレーション結果評価に影響を及ぼす重要なモデリ ング技術について予め標準化しておく。例えば、シミュレーション手法の代表的方法 である有限要素法では、シミュレーションモデルの全体領域を複数のメッシュとよばれ るサブ領域に分割する。シミュレーションを行った結果として得られるシミュレーション 結果は、このメッシュによる分割時のサブ領域のサイズ、すなわちメッシュサイズによ つて影響を受ける。したがって、信頼性評価を行う上で重要なポイントのメッシュサイ ズは、予め基準化しておく必要がある。
[0025] 例えば、図 2においては、有限要素法で電子パッケージのはんだ接合部の評価を 行う際の標準メッシュのメッシュサイズが図示されている。図 2の例では、パッド部 PA とはんだ部 SOとの間のはんだ接合部 Sl、 · ··、 S4、 · ··、 S7、 · ··、 SN (図 2中に、各標 準メッシュ毎に、白丸のドットまたは黒丸のドットで示す: Nは任意の正の整数）が、約 100 mのエリアにわたって、 1メッシュ当り 12. 5 mのメッシュサイズを有する複数 の標準メッシュにより分割されて ヽる。評価対象の電子パッケージの形状を決定する ために必要な構成部品の特徴を表す寸法のパラメータと当該パラメータの有効な範 囲を事前に決定しておく。有効な範囲を超えた値が指定された場合は、システムが 警告メッセージを出力することによって、誤った範囲が入力されることを防ぐようにす ればよい。
[0026] ここで、図 1に戻って、材料物性データベース 2では、信頼性評価のシミュレーショ ンに必要な、電子パッケージを構成する材料の弾性率 (ヤング率)、線膨張係数等の 材料物性データ (材料物性値)が、定義されている全ての材料毎に設定され、予め保 存されている。
[0027] 図 1の電子パッケージ信頼性予測装置において、パラメータ設定手段 3は、電子パ ッケージに関する、種類、寸法、材料選択および評価条件のパラメータの入力 (A)を 受け付け、パッケージモデリングデータベース 1および材料物性データベース 2から 必要なデータを取り出してモデリング手段 4に渡す。上記のパラメータ設定手段 3は、 コンピュータシステムに内蔵された所定のプログラムにより構成され得る。上記のよう なパラメータの入力は、下記の図 3—図 6に示すように、ユーザと入力画面との間で 対話的に行うようにすれば間違 、なく容易に行うことができる。
[0028] 図 3および図 4は、ノ ラメータの入力を対話的に行う場合の入力画面の第 1例のそ の 1およびその 2を示す入力画面図であり、図 5および図 6は、パラメータの入力を対 話的に行う場合の入力画面の第 2例のその 1およびその 2を示す入力画面図である。
[0029] 図 3の入力画面は開始画面の例であり、ユーザ力 ^新規」または「既存」と表示され ているリンク先をクリックすること〖こよって、新規にデータベースを作成するか、または 既存のデータベースを開くかを指定することができる。図 4の入力画面は、既存のデ ータベースを開いた後、表示されている電子パッケージの中から、解析したいパッケ ージの種類（タイプ）を指定する画面である。図 4の例では、 BGAパッケージのタイプ の中から、「C type BGA」、 「Tape BGA」または「EBGA」のいずれか一つが、ュ 一ザにより指定される。
[0030] 図 5の入力画面は、電子パッケージの構成部品の特徴を表す寸法（Dimensions) のパラメータ、および荷重条件の逐次，対話的入力画面の例である。指定された評価 対象のノ ッケージの代表寸法 (幅 W、長さ Lおよび厚さ T)を対象荷重毎に、表示され たサンプル図を参考に、ユーザが逐次、対話的に入力する。温度、荷重等の荷重条 件も同様に対話的に定義する。
[0031] 同様に、ユーザは、電子パッケージの構成部品の材料の逐次 ·対話的選択を行う。
図 6の入力画面では、材料物性データベース 2から取り出された材料データの材料 名称が表示されている（例えば、 AL、 AL203、 ALC、 ALLOY42、および ALN)。 ユーザは、図 6の入力画面に表示された材料データの材料名称を参考にして、評価 対象の電子パッケージの構成部品の材料 (例えば、 ALLOY42)を対話的に選択す ることによって、材料物性データベース 2からの対話的選択を行う。さらに、図 6の入 力画面では、ユーザにより選択された材料の弾性率 (ヤング率）、ポアソン比および 熱膨張係数等の材料物性データが、材料物性データベース 2から取り出されて表示 される。
[0032] 再び図 1に戻って、モデリング手段 4は、ユーザの指定によるデータ（例えば、ユー ザにより指定された電子パッケージの寸法のパラメータおよび材料物性データ）に基 づいてシミュレーションモデル（B)を生成する。上記のモデリング手段 4は、コンビュ ータシステムに内蔵された所定のプログラムにより構成され得る。さらに、シミュレーシ ヨン実行手段 5は、モデリング手段 4により生成されたシミュレーションモデル (B)に基 づき、ユーザにより指定された指定の条件によりシミュレーションを実行する。上記の シミュレーション実行手段 5は、コンピュータシステムに内蔵された所定のシミュレーシ ヨンプログラムにより構成され得る。有限要素法によるシミュレーションモデルの自動 生成のサンプルを下記の図 7に示す。
[0033] 図 7は、有限要素法によるシミュレーションモデルの自動生成の例を示す概念図で ある。図 7の 3次元のシミュレーションモデルは、前述のモデリング手段 4 (図 1)を利用 して、評価対象の電子パッケージのはんだ接合部を含む構造体を複数のメッシュに より分割することによって自動的に生成されたものである。このようにして生成された シミュレーションモデルに対して、例えば有限要素法ソルバ等の構造解析シミュレ一 タを用いて、シミュレーションを実行することができる。
[0034] 再び図 1に戻って、シミュレーション実行手段 5によりシミュレーションを行った結果 として得られるシミュレーション結果 (C)の評価方法の評価基準 (評価条件）に関して いえば、過去のシミュレーション事例を参考にして、当該評価基準を予め定めておく ことが望ましい。例えば、はんだ接合部の接合界面のような、応力が集中してシミュレ ーシヨン結果が極端に変動する場所でのシミュレーション結果の評価に関しては、界 面から 100 mのエリアのシミュレーション結果（C)の応力を平均する。また一方で、 過去のシミュレーション結果と実験 ·実測結果とを比較して、破壊'疲労寿命等の評 価基準を予め設定しておく。例えば、パッド部とはんだ部との間の接合界面の破壊応 力は、 lOOMPa (メガパスカル）と定めておく。このような評価基準は、データベース に保存され、評価基準データベース 9としてまとめられる。
[0035] 図 1の電子パッケージ信頼性予測装置において、シミュレーション結果評価手段 6 は、シミュレーションを行った結果として得られるシミュレーション結果を上記の評価 基準に基づいて評価する。上記のシミュレーション結果評価手段 6は、コンピュータシ ステムに内蔵された所定のプログラムにより構成され得る。例えば、シミュレーション 結果評価手段 6により破壊判定を行う場合は、電子パッケージの破壊の有無を判定 し、電子パッケージの疲労寿命を算出する場合は、疲労寿命サイクルが何サイクル であるかを判定し、画面に表示する。
[0036] 図 8は、疲労寿命サイクルの計算の例を示す模式図である。図 8では、電子パッケ ージのはんだ接合部を複数のメッシュにより分割して生成された 3次元のシミュレーシ ヨンモデル（図 8の左側の部分）に対し、各メッシュ毎に、予測される寿命疲労サイク ルを算出している。より詳しくいえば、各メッシュ毎に、シミュレーション結果 (C)から ひずみ（例えば、ひずみ振幅 Δ ε )のデータを読み込み、 Nf = 1/2 ( Δ ε / ε )— ηの
0 関係式より疲労寿命サイクル Nfを計算して図上に表したものである。ここで、 ε は、
0 電子パッケージの材料物性データ等により決まる一定の係数であり、 ηは、予め設定 されている指数である。さらに、ひずみ振幅 Δ εは、疲労寿命サイクル Nfの 1サイク ル当たりのひずみ振幅の変化分を表している（図 8の右側の部分に示す)。ただし、 図 8のシミュレーションモデルのひずみの分布に関しては、最大ひずみ（または最大 応力）が発生する近傍の部分を代表して斜線 (ハッチング)等により示すこととする。 図 8のひずみの分布から明らかなように、はんだ接合部の接合界面の近傍で最大ひ ずみが発生しており、この場所 (ハッチングの部分)での疲労寿命サイクル Nfは最小 になる。 [0037] 上記のような手順でシミュレーションモデルのシミュレーション結果の評価を行った 結果として、このシミュレーション評価結果に問題があれば、入力すべきパラメータを 変更し、再度シミュレーションモデルの自動生成一シミュレーション評価の手順を実 行し、必要な条件を満たすまでこの手順を繰り返すことになる。
[0038] 再び図 1に戻って、以上の一通りの手順が完了し、ユーザがシミュレーション評価結 果が完了したとみなした場合に、シミュレーション結果評価手段 6は、入力されたパラ メータと、シミュレーションにより評価された応力、ひずみ、疲労寿命サイクル等の評 価結果に関するデータとを評価結果データベース (D)に登録する。
[0039] 図 1の評価式生成手段 7は、同一種類の電子パッケージに関して、入力されたパラ メータとシミュレーション評価結果データとの組み合わせ力 S、入力されたパラメータ数
(入力寸法パラメータ数 +材料物性数 +荷重条件数)を十分上回る量蓄積された場 合に、入力されたパラメータと評価結果データとの間の近似式として評価式 (E)を作 成する。上記の評価式生成手段 7は、コンピュータシステムに内蔵された所定のプロ グラムにより構成され得る。
[0040] 図 9は、近似的な評価式を生成するために入力されるパラメータの例を示す模式図 である。ここでは、近似的な評価式の例として、例えば、図 9の 2層構造力もなるノィメ タル状電子パッケージのサンプルにて発生する最大応力（評価応力） SAの評価式を 取り上げる。この場合に、パラメータは全部で、部材の長さ x、各部材の厚さ y, z、各部 材の材料物性データ (ヤング率 EA, EB,熱膨張係数 TA, TB)、変化温度差 Δ Τ (変 化温度 T= 100° C)の 8つのパラメータとなる力 簡単化のため、各部の寸法 X, y, z のみをパラメータとして残りのパラメータは固定値とする。
[0041] このときの最大応力 SAは、各入力パラメータの関数として、
SA = f (X, y, z, EA, EB, TA, TB, Δ Τ) (1)
と考えられる。
[0042] 各入力パラメータの入力可能範囲はある程度限定されているため、（1)式を以下の ように近似的に 2次程度の多項式 (直交多項式)で近似することが可能である。
[0043] SA = a + a x + a x2+ b y + b y2+- - - -+ d Δ Τ + d ( Δ Τ)2 (2)
0 1 2 1 2 1 2
ただ、し、 a、a、a、b、b、 ' . '、d、dは未知係数とする。 (2)式にぉ 、て、未知係数の数と一致する数の入力パラメータと評価結果 SAとの組 み合わせが得られれば、一義的に未知係数を決定することができる。未知係数の数 を上回る組み合わせが得られた場合は、最小 2乗法等の方法で未知係数を高 、精 度で推定することができる。
[0044] 再び図 1に戻って、評価予測手段 8は、ユーザにより入力されたパラメータにより近 似的な評価式が既に構築されているタイプの電子パッケージが指定されたときに、評 価式 (E)を用いて結果を予測する。この評価式 (E)により予測された予測結果は、評 価予測手段 8から出力される（図 1の予測出力 (F) )。評価結果データベース (D)に 所定の数のデータが蓄積されて 、て、それによる評価式が既に作成されて ヽれば、 応力や、ひずみや、疲労寿命サイクル等をある程度の精度で予測することができる。 これによつて、計算時間の力かるシミュレーションを行うことなくある程度の精度の評 価結果を得ることが可能になる。上記の評価予測手段 8は、コンピュータシステムに 内蔵された所定のプログラムにより構成され得る。
[0045] 図 10は、はんだ接合部の疲労試験の評価結果の例を示すグラフであり、図 11は、 疲労寿命サイクルとひずみ振幅との関係を示すグラフである。
[0046] 図 10のグラフにおいて、白丸のドットは、機械的疲労試験の評価結果を疲労寿命 サイクル Nfとひずみ振幅 Δ ε (疲労寿命サイクル Nfの 1サイクル当たりのひずみ振幅 の変化分）との関係でプロットしたものであり、黒丸のドットは、熱的疲労試験の評価 結果を疲労寿命サイクル Nfとひずみ振幅 Δ εとの関係でプロットしたものであり、白 い四角のドットは、 3点曲げ疲労試験 (BGAアセンブリ）の評価結果を疲労寿命サイ クル Nfとひずみ振幅 Δ εとの関係でプロットしたものである。これらの評価結果は、評 価結果データベース (D)に保存されて蓄積される。所定の数のデータが評価結果デ ータベース (D)に蓄積されていれば、図 10に示すような近似的な直線による評価式 を作成することができる。
[0047] 図 11のグラフでは、疲労寿命サイクル (サイクル）とひずみ振幅 (絶対値）との関係 が図示されている。白い三角のドットは、シミュレーション結果の評価による解析値に 基づいて、ひずみ振幅の値 m)を算出したものである。また一方で、白い四角のド ットは、近似的な直線による評価式 (近似式）に基づいて、ひずみ振幅の値 (mm)を 算出したものである。複数の評価結果が評価結果データベース (D)に所定の量だけ 蓄積されて ヽれば、両者のグラフ上の値はほぼ一致することがわかる。
本発明の電子パッケージ信頼性予測装置の実施例によれば、シミュレーション結果 を評価することによって、一定の安定した評価結果を得ることが可能になり、かつ、ュ 一ザは、材料特性やシミュレーション等に関する特別な知識を必要とすることなぐ電 子パッケージのパッケージ構造に関する知識のみで電子パッケージの評価を行うこと が可能になる。また一方で、近似的な評価式が既に構築されている電子パッケージ に関しては、シミュレーションを実施することなぐ極めて短時間で、ある程度の精度 の評価結果を得ることが可能になる。

Claims

請求の範囲
[1] 電子パッケージの形状と該電子パッケージのモデリング仕様に関するデータを保有 するパッケージモデリングデータベースと、
前記電子パッケージの材料の特性データを保有する材料物性データベースと、 前記電子パッケージの種類、寸法、材料選択および評価条件のパラメータの入力 を受け付けるパラメータ設定手段と、
入力されたパラメータにより指定された材料の特性データおよび前記電子パッケ一 ジの寸法のパラメータに基づ 、て、シミュレーションモデルを生成するモデリング手段 と、
前記モデリング手段により生成されたシミュレーションモデルに基づき、前記の入力 されたパラメータにより指定された指定の条件でシミュレーションを実行するシミュレ ーシヨン実行手段と、
前記シミュレーション実行手段によりシミュレーションを行った結果として得られるシ
Figure imgf000016_0001
、て評価し、前記電子パッケージの種 類毎に、前記の入力されたパラメータと、前記シミュレーション結果を評価して得られ る評価結果とを評価結果データベースに保存して蓄積するシミュレーション結果評価 手段と、
前記評価結果データベースに複数の評価結果が所定の量だけ蓄積されているも のについて、前記の入力されたパラメータに対する評価結果の近似式を生成して評 価式とする評価式生成手段と、
前記の入力されたパラメータにより、前記評価式が既に構築されている電子パッケ ージが指定されたときに、前記評価式により評価予測結果を出力する評価予測手段 とを有することを特徴とする電子パッケージ信頼性予測装置。
[2] 請求項 1に記載の電子パッケージ信頼性予測装置であって、
前記評価式生成手段は、前記シミュレーションが実施されて前記シミュレーション結 果が追加されるたびに、前記評価式を更新することを特徴とする電子パッケージ信頼 性予測装置。
[3] 請求項 1に記載の電子パッケージ信頼性予測装置であって、 前記評価式の構築に関して、初期の前記評価式の生成に実験計画法に基づく直 交多項式を用い、その後の前記評価式の更新については最小 2乗法に基づくことを 特徴とする電子パッケージ信頼性予測装置。
電子パッケージの形状と該電子パッケージのモデリング仕様に関するデータを保有 するパッケージモデリングデータベースと、前記電子パッケージの材料の特性データ を保有する材料データベースとを有するコンピュータを、
前記電子パッケージの種類、寸法、材料選択および評価条件のパラメータの入力 を受け付けるパラメータ設定手段と、
入力されたパラメータにより指定された材料の特性データおよび前記電子パッケ一 ジの寸法のパラメータに基づ 、て、シミュレーションモデルを生成するモデリング手段 と、
生成されたシミュレーションモデルに基づき、前記の入力されたパラメータにより指 定された指定の条件でシミュレーションを実行するシミュレーション実行手段と、 前記シミュレーションを行った結果として得られるシミュレーション結果を所定の評 価条件に基づいて評価し、前記電子パッケージの種類毎に、前記の入力されたパラ メータと、シミュレーション結果を評価して得られる評価結果とを評価結果データべ一 スに保存して蓄積するシミュレーション結果評価手段と、
前記評価結果データベースに複数の評価結果が所定の量だけ蓄積されているも のについて、前記の入力されたパラメータに対する評価結果の近似式を生成して評 価式とする評価式生成手段と、
前記の入力されたパラメータにより、前記評価式が既に構築されている電子パッケ ージが指定されたときに、前記評価式により評価予測結果を出力する評価予測手段 として機能させるための電子パッケージ信頼性予測プログラム。
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