CFD 與模流分析在薄式電子構裝設計與分析研究

admin 2011-08-26

CFD 與模流分析在薄式電子構裝設計與分析研究
Applications of CFD and Mold Flow in the Design and Analysis of Thin Type IC Packages
研究生：羅世閔 Si-Min Lo
指導教授：張嘉隆 Dr. Chia-Lung Chang
國立云林科技大學機械工程技術研究所碩士論文
A Thesis Submitted to Institute of Mechanical Engineering
National Yunlin University of Science and Technology
In Partial Fulfillment of the Requirements
For the Degree of Master of science In Mechanical Engineering
June 2001 Douliu, Yunlin, Taiwan, Republic of China

中華民國九十年六月八日

目錄
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志謝
目錄
表目錄
圖目錄
符號說明
第一章緒論
1.1 半導體產業概況
1.2 電子構裝技術制程
1.3 電子構裝分類與展望
1.4 文獻回顧- -
第二章研究理論基礎
2.1 ANSYS 模擬方法-
2.1.1 FEM 熱場分析-假設條件-
2.1.2 CFD 流場分析-假設條件
2.2 熱場實驗風洞介紹
2.3 實驗環境條件
2.3.1 自然對流 (natural convection)
2.3.2 強制對流 (forced convection)-
2.4 風洞實驗步驟
2.4.1 自然對流(natural convection)之熱阻量測
2.4.2 強迫對流(forced convection)之熱阻量測
2.5 建立仿真分析風洞模型-流場分析
2.6 構裝體(package)模型簡化
2.6.1 芯片座(pad)簡化設計
2.6.2 導線架(lead frame)簡化設計
2.6.3 金線簡化設計
2.6.4 銀膠(die attach)簡化設計
2.7 模流分析
2.8 幾何模型的建構技巧-
2.9 模流分析項目

表目錄
表1.1 全球半導體市場規模-2
表1.2 我國IC 產業在全球的地位(供給面) 2
表1.3 1998 年ETP 對未來五年不同封裝型態數量及復合成長率的預測7
表4.1 代表TSOP50 結構之材料性質40
表4.2 PQFP 各部份材料性質43
表4.3 LQFP208 材料性質46
表5.1 擠桿位置設定數據56
表5.2 Bare Frame 翹曲量測64
表5.3 Wire bonding 翹曲量測
表5.4 Molding 翹曲量測
表5.5 平均翹曲量比較66-
表5.6 六組芯片量測翹曲量71-
表5.7 六組芯片平均翹曲量71-

圖目錄
圖1.1 半導體設備后段制程-IC 封裝流程-
圖1.2 封膠作業流程
圖1.3 電子構裝技術演變圖
圖1.4 新型電子構裝結構簡介-
圖2.1 ANSYS 分析程序
圖2.2 風洞實驗設備
圖2.3 密閉空間實驗配置圖
圖2.4 密閉空間內支撐架配置圖
圖2.5 風洞配置圖
圖2.6 風洞內支撐架配置圖
圖2.7 強迫對流示意圖
圖2.8 分析仿真風洞之半模型示意圖
圖2.9 芯片座幾何形狀簡化設計
圖2.10 芯片座位置簡化設計-
圖2.11 導線架簡化設計
圖2.12 內腳導線架簡化設計
圖2.13 外腳導線架簡化設計
圖2.14 澆口示意圖-
圖2.15 充填過程造成缺陷
圖2.16 短射實驗示意圖
圖2.17 陰影迭紋量測儀器示意圖
圖2.18 量測儀器示意圖
圖2.19 模流分析流程圖-
圖3.1 一維熱傳導分析的體積元素
圖3.2 三維熱傳導分析的體積元素直角坐標
圖3.3 熱對流表面在層流下溫度與速度分布圖
圖3.4 Delco 測試芯片
圖3.5 為電壓─溫度特性曲線
圖4.1 Fluid 142 3D Fluid-Thermal Element
圖4.2 Solid70 3D Thermal Solid Element
圖4.3 平板之邊界層示意圖
圖4.4 水平板之熱對流方向
圖4.5 TSOP50 三角網格示意圖
圖4.6 TSOP50 熱場分析(1.04w)-溫度分布

CFD 與模流分析在薄式電子構裝設計與分析研究
學生：羅世閔指導教授：張嘉隆
國立云林科技大學機械工程系研究所

摘要
本論文在電子構裝熱傳分析應用有限元素方法探討構裝體之熱場及流場問題，先使用固體模型及傳統熱對流經驗公式預測電子構裝體熱場行為，再利用CFD軟件仿真電子構裝體在風洞實驗的熱場和流場分布情況；經由預測與實驗量測熱阻值比對結果，CFD 模擬風洞實驗較能準確預測實驗熱阻值，并探討構裝體設計參數對熱場的影響。
構裝模流分析可區分為三大部分，第一部分：以實際短射實驗驗證計算機仿真膠體充填過程波前分布準確性，建立可靠模流分析模型。第二部分：探討芯片與芯片座比例和down-set 深度對流動波前的影響。第三部分：觀察不同實驗芯片大小造成膠體流動波前差異，所產生賽馬現象對TSOP40 表面翹曲和芯片座偏移量的影響。TSOP 結果顯示，計算機仿真分析能有效地預測流動波前形狀、芯片座偏移量和氣孔缺陷，當實驗芯片與芯片座尺寸較接近，較能緩和賽馬現象，使得表面翹曲和芯片座偏移量也逐漸下降趨勢。
關鍵詞：CFD、熱阻、模流分析、波前、短射實驗、翹曲、芯片座偏移

符號說明
q :熱傳遞速率
q :每單位體積所產生的能量，
f k :流體的熱傳導系數，W /m °C
c h :對流熱傳遞系數（convection heat -transfer coefficient）W /m2 °C
s:史蒂芬－波次曼常數(Stefan-Boltzmann Constant)
j T ：待測點的溫度
a T ：環境溫度
P :組件功率
H:熱對流系數
L:封膠尺寸
T:構裝體表面溫度與環境溫度差
K:熱傳導系數
Re:雷諾數
Pr:Prandtl number
DT :表面與環境溫度差
P :特征長度
f,n:經驗因子
V:空氣流速（m/s）
L:流動方向上的封裝長度（m）
r:密度