基于Moldex3D的IC封装模CAE建模方法

第24卷第3期2010年9月上 海 工 程 技 术 大 学 学 报JOURNALOFSHANGHAIUNIVERSITYOFENGINEERINGSCIENCEVol.24No.3Sept.2010 文章编号:1009-444X(2010)03-0253-04

收稿日期:2010-06-02基金项目:上海市教委科研创新资助项目(08YZ156)作者简介:唐 佳(1986-),女,助理实验师,本科,研究方向为材料成型及控制工程.E-mail:tangjia_sues@126.com基于Moldex3D的IC封装模CAE建模方法唐 佳a,曹阳根b(上海工程技术大学a.工程实训中心;b.材料工程学院,上海201620)摘要:以SSOP-20L集成电路塑封为例,运用Moldex3D软件建立CAE模型.用此方法建立的CAE模型与物理模型具有较好的相似性,可作为IC塑封模拟金线变形和芯片偏移的基础模型,并可预见塑封过程中可能发生的问题,为模具浇注系统的设计提供可靠依据.关键词:Moldex3D;IC封装;塑料封装模具中图分类号:TN405.95 文献标志码:ACAEModelingofIC-PackagingMouldBasedonMoldex3DTANGJiaa,CAOYang-genb(a.EngineeringTrainingCenter;b.CollegeofMaterialsEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201600,China)Abstract:TakeingplasticencapsulationofSSOP-20Lasanexample,aCAEmodelwasbuiltbasedonMoldex3Dsoftware.TheCAEmodelestablishedbythemethodpresentedagoodsimilaritywiththeen-tity,whichcanbeusedasabasemodelforsimulatingplasticdeformationandchipoffset,forecastingproblemsoccurredintheprocessofpackagingandprovidingreliablereferencesforcastingmodeldesigns.Keywords:Moldex3D;IC-packaging;plasticpackagemould IC封装具有机械支撑、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格化和标准化等多种功能,是IC产品生产中不可缺少的环节.由于近年来电子产业的高速发展,IC封装产品的应用越来越广.封装作为整个产品的后道工序,其对于提高产品的可靠性、合格率和经济性也有着至关重要的作用.塑封成形的缺陷主要有金线偏移、芯片变形、欠注、气泡、溢料、开裂等现象.通过CAE手段可在模具设计初期及时发现,采用优化浇注系统和改进塑封工艺可避免这些缺陷,从而缩短模具设计制造周期,提高经济效益[i].1 IC封装模型建立本文以集成电路SSOP20L为例建立模型,其封装体尺寸如图1所示.模型尺寸分别为长7.7mm,宽5.3mm,厚度1.6mm,其导线框引脚数为20个,浇口位置位于模穴右上角,大小为0.46mm@0.2mm(高度可变),如图2所示.芯片尺寸长为3.8mm@3.5mm,高为0.5mm.采用UG进行三维造型,分别将封装体、引线框架 上海工程技术大学学报第24卷 以及芯片生成三维实体,组装成如图3所示的组合模型.图1 SSOP20L封装体尺寸Fig.1 SizeofSSOP20LIC-packaging图2 浇口尺寸Fig.2 Sizeofgate图3 SSOP20L三维造型Fig.3 3D-modelofSSOP20L2 CAE建模Moldex3D是一款三维模流分析软件,其分析模型采用Moldex3D三维实体元素网格,依塑料件实体来建模.Moldex3D-Mesh模块外挂与Rh-inoceros软件协同进行网格制作.建模时根据各部分不同材质由表面网格分别堆叠而成实体网格,再对实体网格分别进行定义,如封装体、引线框架和芯片等.2.1 建立表面网格IC封装模大多采用一模多腔,模拟过程取其中一腔进行处理,划分网格时截取一个封装单元,因此,在划分网格时只需截取一片封装体即可.将三维造型投影至平面,根据所投影平面上的曲线生成表面网格.表面网格类型为三角形,封装材料覆盖部分的网格,由边长为0.1mm三角形组成,其余部分均由边长0.4mm的三角形组成,表面网格生成如图4所标出的框内.图4 表面网格Fig.4 Surfacemesh2.2 建立实体网格2.2.1 实体网格的类型Moldex3DMesh中网格的单位元素有4种,分别为Tetra、Pyramid、Prism和Hexa,如图5所示.考虑到整个模型中各部分材料及外形特征各有不同,此次绘制的模型采用混合式网格.在各个不同的部位采用最为合适的网格,可在保证CAE模型精度的前提下,减少网格的数量,提高CAE分析的效率.该模型使用Tetra、Prism、Hexa3个元素得到SSOP20L实体网格.2.2.2 部分实体网格的建立封装体实体网格均由Prism三角形表面网格堆叠而成.IC封装中涉及多个不同的材料,无论表面网格还是实体网格,在不同材料衔接部分的节点都必须对齐,如图6所示.在建立封装体、芯片、引线框部分的实体网格时,图7中划分的每一层高度内不同材质的网格层数都应相等,每个层次依次分别由表面网格堆叠生成Prism实体网格.生成实体网格后,对不同材质网格分别定义为Epoxy、Chip#254# 第3期唐 佳,等:基于Moldex3D的IC封装模CAE建模方法 和Leadframe.图8为完成后的模型.图5 实体网格的单位元素类型Fig.5 Typesofmeshelement图6 网格对齐Fig.6 Alignmentofmesh图7 模具内部层次划分Fig.7 Hierarchicaldivisionofmouldinternal图8 封装体、芯片、引线框架部分实体网格Fig.8 Meshofpackage,chip,leadframe2.2.3 流道部分网格的建立分流道由两部分建立:分流道与封装体连接部分采用Hexa网格;与主流道连接部分则可采用Tetra网格.由于实体网格一旦形成就不能改变它的形状和尺寸,而建立流道网格时封装体以及引线框架的实体网格已经生成,流道与其他部分连接的网格节点又必须一一对应,因此在建立分流道实体网格时应采取如下操作.1)建立分流道与封装体连接部分网格:封装体已生成的实体网络生成对应表面网格等比例缩放至图9所示位置,与引线框架网格节点对齐,生成Hexa实体网格.图9 分流道与封装体连接部分表面网格Fig.9 Surfacemeshofpackageandrunner 2)生成分流道与主流道连接部分的网格.对于这部分网格仅有2个面的网格有约束条件,为减少网格的数量,提取这2个面的表面网格,生成Tetra网格即可,如图10所示.图10 分流道与封装体连接部分实体网格Fig.10 Meshofpackageandrunner2.3 金线的建立金线在充填过程中常常受到封胶的冲击影响,导致严重的偏移甚至失效等问题.在建立金线形状及位置时,可借由编辑参数或是直接拉动控制点的方式来定义,如图11所示.2.4 设定边界条件本文所用到的模型为截取的一片IC封装片,这样将原本连续性的引线框架切开了,因此,在引线框架的边缘需对齐设定对称面.选取切开面的网格,在SolidModelB.C.Setting命令中设定该网格为Symmerty即可.此外,还需在分流道的一段设定进胶面,选取进胶面的网格.在AttributeSet-ting命令中设定该网格为3DMeltEntranceSur-#255# 上海工程技术大学学报第24卷 face,整个CAE模型就可成功导出为*.mfe格式的文件,进行CAE分析.图11 金线形状及位置的建立Fig.11 Establishmentofwireshapeandposition3 结 语1)建立表面网格时,对于不同材质的部分应设定不同的网格尺寸,既保证了整个模型的精确度,又在一定程度上减少网格数量,从而减小运算量,提高了CAE分析效率.2)建立封装体、芯片、引线框部分的实体网格时,每一层高度内不同材质的网格层数都应相等,以确保实体网格的节点对齐.3)浇口部分分流道与主流道连接部分的网格,需采用Tetra四面体实体网格. 建模完成后运用Moldex3D软件即可对IC封装模CAD/CAE模型进行计算机仿真分析,其中包含充填、保压、冷却、封装体的翘曲变形、金线偏移、引线框架偏移等.在模具设计初期,设计不同的工艺参数就可进行计算机仿真分析,找到最佳方案.既避免了各种缺陷的产生,又减少了传统试模的成本,提高了生产效率.参考文献:[1] 唐忠民,宋震熙.注塑模流分析技术现状与Moldex3D软件应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2003(1):57-59.[2] 科盛科技股份有限公司.Moldex3D模流分析技术与应用[M].台北:全华科技图书公司,2007.[3] 黄虹.塑料成型加工与模具[M].北京:化学工业出版社,2003.[4] 曹银萍,石秀华.基于ANSYS的鱼雷有限元建模与模态分析[J].弹箭与制导学报,2009(3):40-44.[5] 孙铣.我国的IC产业和IC测试[J].中国集成电路,2002(5):25-27.[6] PLASTICSB,GROUPR.Moldex3Daddssinkmarkpredictions[J].BritishPlasticsandRubber,2009(9):112-116.[7] 科盛科技股份有限公司.CAE模流分析技术入门与应用[M].台北:全华科技图书公司,2006.#256#