第五章 模流結果與討論
5.1 前言
在本論文中第二部分研究探討模流分析是針對IC 封裝封膠過程的模擬，為了更有效率地完成產品開發設計、減少實際試模次數、尋找較佳的充填參數和減少充填過程中缺陷的產生(氣孔、流痕)，試著以計算機輔助工程軟件完成整個充填過程模擬，并且以實驗(短射實驗)驗證比較其模擬的正確性。其驗證過程如下圖5.1 所示，針對TSOP40、LQFP176 和LQFP208 型式驗證之。
電子構裝之封膠就是利用熱固性樹脂(Epoxy)將芯片(Chip)、金線(Wire)和導線架(Lead frame)等包覆起來的制程加工，進而滿足電子組件的電信功能，及支撐產品結構、保護芯片不致受到環境的影響。而現今的電子構裝產品已趨向于厚度薄、高腳數、高功率和高處理速度，對于如何有效地防止封膠過程中，缺陷的產生和提高產品的良率就是設計者首要課題。
評估電子封裝的方法可分為實驗與模擬兩類，實驗方法以實際產品進行不同時間下的充填以得到波前曲線。但由于實驗方法耗費時間及成本均高，要作修改不容易，因此實驗方法通常作模擬分析驗證及最后電子結構設計確認。本研究在計算機仿真方法采用C-MOLD 模流分析軟體，建立出電子構裝產品模型，分析在不同參數設計下(down-set 深度及芯片與芯片座比例)對模流流動的影響，提供構裝設計者的參考。
在電子構裝結構設計中可調動不同的down-set 深度來改變封膠質量，down-set即是指芯片座與導線架兩者的高度差，利用高度差來適應不同的產品設計，以
TSOP 系列和LQFP 系列為例，其down-set 的標準值分別約為0.127mm 和0.15mm，藉由此調整達到上下模膠體流動一致，并減少缺陷產生。氣孔現象(air traps)和流動不平衡(unbalance)是目前電子構裝業所重視的缺陷問題；在參數設計下將提出電子構裝較佳的設計流程，有效避免缺陷的產生，并增快產品的開發周期。
53
圖5.1 設計流程
圖5.2 模流分析模型示意圖
上圖5.2 所示將電子構體簡化成模流分析模型，并以導線架為分界線，分成上模與下模兩膠體部分。澆口一般都較細小，因此流動阻力很大，些微的尺寸差距對塑料充填卻有很大的影響。所以在模擬分析時，須將澆口的細部尺寸建入有限元素模型中，以避免分析結果與實際成型狀況有誤差產生，在澆口設計可參考2.9章節。
建立分析模型
與實驗比較
波前是否一致
進行設計分析
結果擷取與評估
參數探討
第六章 結論
第一部分 CFD(computational fluid dynamics)探討
1.藉由有限元素方法軟件ANSYS-Flotran 作流場分析-熱分析TSOP50、PQFP100和LQFP208 實際案例中，可得與實驗值較為相近之熱阻值結果。
2.流場分析-熱分析可得知實驗風洞中自然對流與強迫對流的流場、溫度分布情況；進而從流場分布情況改善電子構裝體結構。
3.藉由流場分析-熱分析模擬方法可省略傳統設定熱對流系數，而只需設定實驗風洞之邊界條件即可。
4.流場分析-熱分析時，其分析模型尺寸和元素數目較一般熱分析時還多；所以在建立模型時，必須作適當的模型簡化，此外在網格化時選用四角形元素以有效地降低求解時間。
5.流場分析時，電子構裝體表面的熱邊界較為的重要，所以在此區域須作較細的網格細分以便觀察邊界層變化情形。
第二部分 模流分析探討
1.藉由模流分析軟件C-Mold 作模流充填分析、金線偏移分析和芯片座偏移分析可有效地預測塑料充填情況。
2.利用模流分析軟件必須和短射實驗相互配合驗證以得到準確的模流分析模型。
3.SOP 系列產品流動波前較不一致時，可盡量設計芯片與芯片座尺寸相近（比例約為１），以得到較平順的流動波前。
4.芯片與芯片座尺寸比例調整在QFP 系列較為不明顯，可試著調整down-set 深度尺寸得到較平順的流動波前；以LQFP 為例建議采用露面設計或使down-set 深度尺寸介于0.691mm 與0.807mm 之間。
5.芯片座偏移實驗中，發現經過Bare Frame、Die Bonding、Wire Bonding 和Molding等部分完成之后，其所有實驗試件的芯片座皆是產生向下凹陷的趨勢。但是在制程Wire bonding 之后，其芯片座偏移量產生向上凸趨勢；其原因是在制程WireBonding 時，芯片座受到熱壓板支撐和Wire Bonding 時的反作用力影響而產生。
參考文獻
(1)B. Tabarrok and Ran C. Lin, 1977,“Finite Element Analysis of Free Convection Flows”, Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.20. pp945-952.
(2)C. Taylor and A.Z. Ijam, 1979,“A Finite Element Numerical Solution of Natural Convection in Enclosed Cavities”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 19, pp429-446.
(3)T. Y. Tom Lee and Mali Mahalingam, 1994, “Application of a CFD Tool for System-Level Thermal Simulation”, IEEE Transactions on Components, and Manufacturing Technology-Part A, Vol. 17, NO. 4, pp564-572.
(4)Shailesh Mulgaonker, Ben Chambers, Mali Mahalingam, Gens Ganesan, Vern Hause and Howard Berg, 1994,“Thermal Performance Limits of the QFP Family”, IEEE Transactions on Components, and Manufacturing Technology–Part A, Vol. 17 NO. 4, pp573-582.
(5)Hi Rosten and J D Parry, 1995, “Development , Validation and Application of a Thermal Model of a Plastic Quad Flat Pack”, IEEE, pp1140-1151.
(6)T. Zhou, Valter Motta and M. Hundt, 1996,“Thermal Evaluation of Standard and Power TQFP”, IEEE SEMI-THERM Symposium, pp19-29.
(7)T. Y. Tom Lee and Mali Mahalingam, 1997,“Thermal Limits of Flip Chip Package-Experimentally Validated, CFD Supported Case Studies”, IEEE Transactions on Components Package and Manufacturing Technology-Part B. Vol. 1, pp94-103.
(8)Bret A. Zahn, 1998,“Evaluating Thermal Characterization Accuracy Using CFD Codes – A Package Level Benchmark Study of IccPak and Flotherm”, 1998 InterSociety Conference on Thermal Phenomena, pp322-329.
(9)Masud Behnia, Wataru Nakayama, and Jeffrey Wang, 1998,”CFD Simulations of Heat Transfer from a Heated Module in an Air Stream :Comparisom with Experiments and a Parametric Study”, 1998 InterSociety Conference on Thermal Phenomena,
pp143-151.
(10)Ching-Bai Hwang, 1999,“Thermal Design for Flip Chip on Bo ard in Natural Convection”, Fifteenth IEEE SEMI-THERM Symposium, pp125-132.
(11)Weiran Xu, Sarang Shidore , and Paul Gauche , 2000, “Creation and Validation of a Two-Resistor Compact Model of A Plastic Quad Flat Pack(PQFP) Using CFD”, 2000
熱設計資料下載： CFD與模流分析在薄式電子封裝中的設計與分析TW.pdf
標簽： 點擊： 評論:
