可復用的BGA封裝溫度循環仿真流程

李紫鵬 李書洋 李陽陽 孫榕

中國電子科技集團公司第二十九研究所 四川成都 610036

目前，集成電路越來越向高密度集成、高可靠性以及小型化等方向發展，球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)封裝，在集成電路中應用越來越廣泛。BGA封裝中的焊點在整個集成電路中具有電氣連接、信號傳輸和機械支持的作用。為保證BGA封裝設計滿足各項指標要求，在研發設計活動中需要通過各種仿真來驗證。其中，由于電子系統工作環境溫度變化而引起焊點應力變化，會導致焊點失效，因此，電子系統工作環境溫度是一個常見且重要的因素，設計師在實際工作中，需要根據產品需求對BGA封裝建模，進行溫度循環仿真。在實際工程中，由于建模會涉及幾何建模、材料選擇、工況設定等一系列活動，重復工作量較多，十分影響研發效率。因此，本文構建了一種可重復使用的BGA封裝溫度循環仿真流程，將BGA封裝溫度循環仿真從三維建模到有限元仿真進行參數化和模型化，并通過信息化手段開發形成標準化的BGA溫度循環仿真流程，通過流程復用，一方面引導設計師快速完成相關仿真設定，另一方面自動調用模型、數據、工具并進行仿真，無須再重復建模，大大降低設計師工作量，提升研發工作效率。

1 仿真流程搭建與應用

仿真流程是一種可復用的、可引導用戶按照既定規則開展仿真活動，并集成了相關工具、模型、數據以降低用戶工作量的信息化工具流程。將流程進行封裝固化則形成仿真流程模板，然后將流程模板進行存儲，方便統一管理和使用。當用戶需要使用時，將封裝的仿真流程模板進行實例化形成獨立的、新的仿真流程來開展自身實際工作應用。因此，仿真流程模板在工程研發活動中，分為模板搭建、模板運用兩個方面。針對本文中的BGA封裝溫度循環仿真，模板搭建主要步驟包括參數化建模、工具與腳本開發、搭建與存儲；模板運用步驟主要包括填寫結構參數、選擇工況材料、啟動計算、查看結果，如圖1所示。后文將針對BGA溫度循環仿真，按照流程搭建、流程應用兩個方面詳細展開論述。

圖1 流程模板搭建與應用思路

2 流程搭建

2.1 BGA溫度循環仿真參數化建模

參數化建模首選分析和明確仿真模型關鍵特征，并進行參數化建模等形成計算機執行的算法或程序。

本文針對BGA溫度循環仿真，模型關鍵特征組成項分別為幾何拓撲、材料組成、工況、結果分析，如圖2所示。后文圍繞各項特征逐一展開模型化論述。

圖2 封裝關鍵特征

2.1.1幾何拓撲參數化建模

BGA三維結構由PCB板、焊點、圍框、封裝基板、頂板等部分組成，如圖3所示。

圖3 BGA三維結構示意圖

首先，針對BGA焊點布局形式進行參數化。在整個BGA封裝結構中最為復雜和關鍵的組成就是焊點的布局形式以及焊點的結構。根據BGA封裝標準，焊點的布局形式包括三種：周邊形、交錯型、全陣列型。

其中，全陣列型焊點分布形式參數化方法如圖4所示。

圖4 全整列型焊點分布參數化

以基板為參考，建立焊點的分布形式的參數化及約束，具體的約束與關系如下：

周邊型、交錯型焊點分布如圖5所示。其中周邊型焊點分布相當于在全陣列型的基礎上去除中心一部分焊點，而交錯型焊點相當于在周邊型的基礎上在中心補充一部分焊點，按照此規律也可以建立出對應的焊點布局約束與關系，這里就不詳細展開了。

圖5 周邊型與交錯型焊點分布

其次，針對焊點結構進行參數化。BGA封裝焊點分為焊球型、焊柱型。焊球型幾何結構參數化方法如圖6所示。

圖6 球狀焊點結合結構參數化

以焊點中心軸為參考，建立上焊盤、下焊盤、焊球的參數以及約束關系，具體如下：

其中為上下焊盤加焊球后的總高度，也代表PCB板與基板的間距。

焊柱型的幾何結構參數化方法如圖7所示。

圖7 球柱焊點幾何結構參數化

在焊柱型中，將焊柱抽象為理論圓柱體，以焊點中心軸為參考，建立上焊盤、下焊盤、焊柱間的參數化以及約束關系，具體如下：

進水渠長45.0m，底寬18.7m，矩形斷面。進水口前2.5m為廠前水平段，高程為106.41m；總長45m采用坡度為1∶3的反坡段連接至121.4m高程。

=++

另外其他組成如PCB板、基本圍框、頂蓋都可以看成是長方體結構并且相互貼緊，均以PCB板為參考建立自己的位置與尺寸關系，結構相對簡單，這里就不詳細展開了。

2.1.2 BGA材料組成建模

材料組成建模的主要目的是將材料屬性獨立出來，用材料庫進行統一管理，方便后續用戶在使用流程時，可以根據自己的需求快速實現進行材料更換和調整，如圖8所示。

圖8 材料賦予示意圖

將BGA封裝中所有組成結構，包括PCB板、下焊盤、焊點、上焊盤、基板、圍框、頂蓋涉及的材料進行總結和統計，用標準統一的數據文件對各項材料進行描述，并將這些材料文件存儲在材料庫中。同時建立材料與組成結構件之間的約束關系，如哪些部件不能用哪些材料等，這樣既方便用戶能夠通過仿真流程根據自己的設計需求快速選用材料，又能避免材料選擇錯誤。

2.1.3工況分析參數化建模

將工況進行參數化后就可以支持用戶按照自己的需求設定溫度循環工況。本文中涉及的工況為溫度隨時間的周期循環，如圖9所示。根據圖9所示，將溫度循環進行參數化，其中溫度分為高溫和低溫，分別為、；溫度隨時間的變化分別包括升溫時間、降溫時間、高溫保持時間、低溫保持時間，分別為：、、、。溫度循環周期為，則仿真溫度總時間：

=(+++)×

圖9 溫度循環圖

2.1.4 結果分析建模

結果分析建模主要是為了能夠將結果數據提取實現自動化。本文中主要分析的結果為焊點最大等效應力隨時間變化情況、BGA結構形變隨時間變化情況等。仿真完成之后，提取上述結果數據即可。

2.2 工具與腳本開發

圖10 ANSYS腳本示意圖

所有開發都是在上述參數化模型的基礎上，根據ANSYS腳本規則開發的。需要重點說明的是開發過程中有兩個點需要說明。

首先是為了降低有限元仿真耗時，腳本開發的同時對模型做了切割，以降低計算量。具體如下：BGA封裝是關于X方向和Y方向軸對稱的，因此，仿真模型取X方向的1/2和Y方向的1/2部分，也即是1/4模型進行仿真，如圖11所示。

圖11 1/4模型結構仿真圖

模型被截斷后，在斷面處添加固定約束，如圖12所示。

圖12 1/4模型添加約束

另一方面，網格劃分會影響仿真計算結果準確性和計算效率，由于最危險點一般都是出現在焊點上，因此綜合考慮下，將焊點部分的網格進行加密處理，PCB板、基板等其他部件網格相對稀疏，這樣既能保證計算結果的準確性，又能降低計算量。如圖13所示：

圖13 1/4網格劃分和焊點網格加密處理

最后，由于腳本運行下的ANSYS是自動執行，而有限元仿真又很耗時間，為保證用戶執行流程時可以先預覽幾何結構是否正確，因此，需要開發一個三維顯示界面。但成熟的商業化軟件如PROE、CATIA等三維軟件又比較重，因此，本文采用C++和OpenGL，按照上文所述幾何建模參數化方式開發輕量化三維顯示工具，方便用戶在執行最終仿真時可以先查看模型結構形狀，以確認模型正確與否。

2.3 流程搭建、封裝與存儲

流程的搭建是根據BGA溫度循環的仿真過程以及用戶的使用方式，將相關工具、數據環境、計算環境等進行集成，實現程序化標準化的仿真流程。

首先，仿真流程搭建的架構如圖14所示。仿真流程從開始到結束分為兩個大的活動，分別為三維顯示和CAE仿真。其中三維顯示的是集成輕量化三維顯示工具，CAE仿真集成ANSYS仿真工具和上文所述開發的ANSYS運行腳本是一樣的。兩個活動間需要傳遞模型設計信息，包括模型結構尺寸數據、材料數據、工況數據等。同時將流程與材料庫進行集成關聯，這樣可支持用戶在使用流程時快速從材料庫中選擇所需的材料數據。將計算環境中的個人PC與高性能計算集成做集成關聯，這樣一方面可以利用用戶個人PC運行輕量化三維顯示工具，查看三維模型，另一方面由于ANSYS有限元仿真的計算量大、計算時間長，集成高性能計集群，支持有限元仿真，既能降低仿真流程對用戶個人PC的依賴，又能提高計算效率。

圖14 仿真流程架構

最后是仿真流程的封裝與存儲，封裝是將仿真流程進行打包封裝，形成仿真流程模板。保證流程在使用時不會影響流程本身的數據。而存儲是將流程模板存入仿真流程模板庫進行統一管理，方便用戶可以快速調用模板進行復用。

3 流程復用

流程在復用時，用戶先從流程模板庫中，將BGA溫度循環仿真流程進行實例化，然后在實例化后的仿真流程界面，根據自己的仿真需求進行結構參數填寫、工況參數填寫、材料數據選擇即可，如圖15所示。

圖15 參數填寫界面

計算資源選擇界面如圖16所示。

圖16 計算資源選擇界面

根據流程規則，用戶完成所有設置后，啟動仿真流程，則流程會自動根據用戶輸入去自動化創建BGA結構模型、加載工況、材料等相關數據。完成仿真后，流程會自動提取仿真結果數據，形成數據圖標顯示到流程結果中，如圖17所示。

圖17 仿真結果展示界面

結語

本文詳細介紹了針對BGA封裝溫度循環仿真的快速仿真流程模板相關的工具開發、流程搭建以及流程使用方式，通過該仿真流程復用，一方面實現了既有仿真知識的沉淀，另一方面通過流程的復用，極大地降低了設計師建模仿真工作量，提升了設計師研發工作效率。當然該方法不僅可以用在BGA封裝溫度循環仿真中，也可以根據該方法和思路，用于其他可以被參數化、標準化的仿真工作中，建立相關模型工具和流程。這樣，當一個企業或一項產品中，各項仿真業務都按照該思路或方法進行固化和沉淀后，將全面提升企業或產品的研發效率。