針對半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，可通過計算機(jī)模擬的方式去分析。通常情況下，計算機(jī)模擬分析過程會將推導(dǎo)出的一般方程應(yīng)用于特定條件中，以便深入了解特定情況。標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)模擬分析過程包括四個步驟。

首先，將支配某種自然現(xiàn)象的要素以及這些要素之間的關(guān)系歸納為數(shù)學(xué)表達(dá)式，如控制方程5，然后對分析對象進(jìn)行建模，以便進(jìn)行計算機(jī)模擬。接下來，將控制方程應(yīng)用到模型中，進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，最后將計算結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)象進(jìn)行分析。計算機(jī)模擬分析方法主要分為：有限差分法（Finite Difference Method）、有限元法（Finite Element Method, FEM）和有限體積法（Finite Volume Method）。其中，有限元法被廣泛應(yīng)用于分析半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。從工程角度而言，有限元法指將無限數(shù)量的點和自由度6轉(zhuǎn)化為有限數(shù)量的點和自由度的能力，這些點隨后被納入線性方程組進(jìn)行計算。

5 控制方程(Governing Equation)：構(gòu)成計算機(jī)代碼基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)公式。在計算建模場景中，控制方程決定由代碼提前預(yù)設(shè)的隱藏的流體行為。

6 自由度(Degrees of Freedom)：對某一統(tǒng)計量進(jìn)行最終計算時，可以自由變化的數(shù)值的個數(shù)。

有限元法由有限數(shù)量的被稱為元素的構(gòu)建模塊組成。每個元素都包含有限數(shù)量的點和一個控制方程，而數(shù)值則通過求解方程獲得。為了深化對結(jié)構(gòu)分析的了解，我們有必要知道結(jié)構(gòu)分析所需材料的三個關(guān)鍵屬性：熱膨脹系數(shù)（CTE）、泊松比（Poisson’s Ratio）和應(yīng)力（Stress）。

熱膨脹系數(shù)是用來描述材料因溫度波動而發(fā)生長度變化的一項指標(biāo)。一般來說，溫度升高時材料膨脹，溫度下降時材料收縮。因此，熱膨脹系數(shù)被定義為單位溫度上升時材料長度的增幅量。泊松比指材料在垂直于特定載荷方向上的膨脹或收縮，考慮物體所受的推拉作用可有助于我們更好地了解泊松比的概念。如果我們從兩端縱向拉動一個物體并對其施加拉力，那么物體會沿著長度方向伸展，沿著寬度方向收縮。但是，如果我們從兩端縱向推擠一個物體并對其施加壓縮力，那么物體會沿著這個力的方向收縮，沿著寬度方向伸展。最后，應(yīng)力指物體在受到外部作用時在內(nèi)部形成的內(nèi)力，用以抵抗這股外力，同時保持物體的形狀不變。應(yīng)力壓力是以單位進(jìn)行測量的。

這些材料特性應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)分析的三個主要領(lǐng)域：封裝翹曲、焊點可靠性和封裝強(qiáng)度。

翹曲分析

在進(jìn)行封裝時，當(dāng)溫度上升然后回落到室溫時，不同材料之間由于熱膨脹系數(shù)不同，可能導(dǎo)致封裝翹曲并造成封裝缺陷。因此，我們應(yīng)基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料的彈性模量7、熱膨脹系數(shù)、工藝溫度和時間，對封裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，以便更好地預(yù)防翹曲及封裝缺陷。

7 彈性模量(Elastic Modulus)：在固體力學(xué)中表示材料剛度的數(shù)值，是應(yīng)力與應(yīng)變的比值。

焊點可靠性

焊錫主要用于半導(dǎo)體封裝和PCB基板之間的機(jī)械和電氣連接。由于焊點可靠性非常重要，所以我們需要在封裝前對焊點進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，以改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)和材料。

焊錫的失效主要源于兩個方面的共同作用——平面收縮造成的剪切斷裂以及軸向拉伸造成的拉伸斷裂。因此，在焊點結(jié)構(gòu)分析中，需要對各種工藝或使用條件下施加到焊點的應(yīng)力值進(jìn)行分析。

強(qiáng)度分析

因為封裝的作用是保護(hù)芯片免受外部影響，所以芯片在受外部影響時表現(xiàn)出的穩(wěn)健性要依靠封裝強(qiáng)度。為了確定封裝的穩(wěn)健性，我們可以使用萬能試驗機(jī)（UTM）8進(jìn)行三點彎曲或四點彎曲試驗，由此計算斷裂強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)性分析可以模擬用萬能試驗機(jī)進(jìn)行的實驗，從而推導(dǎo)出封裝各個區(qū)域的應(yīng)力水平，并以特定材料的斷裂強(qiáng)度為參考來預(yù)測整個產(chǎn)品的斷裂強(qiáng)度。

8 萬能試驗機(jī)(UTM)：一種測量材料強(qiáng)度的儀器，通過用一定重量拉伸或壓縮材料來測量其抗拉、抗彎和抗壓強(qiáng)度。

四有芯人注：UTM，即Universal Testing Machine。

散熱性能分析

電子設(shè)備在運行時會消耗電能并產(chǎn)生熱量。這種熱量會提高包括半導(dǎo)體產(chǎn)品在內(nèi)元件的溫度，從而損害電子設(shè)備的功能性、可靠性和安全性。因此，電子設(shè)備必須配備適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，以確保元件在任何環(huán)境下均能保持在一定溫度水平下。

鑒于散熱性能在半導(dǎo)體封裝中的重要作用，熱分析也成為了一項必不可少的測試內(nèi)容。因此，必須提前準(zhǔn)確了解半導(dǎo)體封裝在系統(tǒng)應(yīng)用時產(chǎn)生的熱量、封裝材料與結(jié)構(gòu)的散熱效果、以及溫度效應(yīng)，并將其反應(yīng)在封裝設(shè)計中。

▲圖3：封裝的關(guān)鍵溫度點（? HANOL出版社）

 對半導(dǎo)體封裝實施并使用熱分析，我們需要定義封裝的關(guān)鍵溫度點，包括：環(huán)境溫度（Ta）、結(jié)溫（Tj）、殼溫（Tc）和板溫（Tb）。封裝規(guī)格的溫度通常為最高結(jié)溫（Tj max.）或者最高殼溫，這兩點指的是確保半導(dǎo)體器件正常工作的最高溫度。圖3顯示了封裝原理示意圖中的各個溫度點。

四有芯人注：Ta: ambient temperature; Tj: junction temperature; Tc: case temperature; Tb: board temperature.

▲圖4：封裝中的熱特性類型（? HANOL出版社）

 使用封裝的主要溫度點可以計算出熱阻，熱阻是最重要的熱保護(hù)特性。封裝熱阻是一個指數(shù)，單位為℃/W，表示當(dāng)芯片產(chǎn)生1瓦熱量時，半導(dǎo)體產(chǎn)品相對于環(huán)境溫度所上升的溫度。該比值根據(jù)每種產(chǎn)品和環(huán)境條件而變化。常見的熱阻類型包括結(jié)到環(huán)境熱阻（Ja）、結(jié)到板熱阻（Jb）和結(jié)到殼熱阻（Jc），它們是封裝的抗熱性指標(biāo)。

電氣模擬

▲圖5：封裝RLGC模型示例（? HANOL出版社）

 隨著半導(dǎo)體芯片傳輸速度的提升和密度的增大，封裝也對半導(dǎo)體產(chǎn)品的特性產(chǎn)生重大影響。特別是在封裝高性能半導(dǎo)體芯片時，必須要對封裝狀態(tài)進(jìn)行精確的電氣模擬。為了預(yù)測由高性能半導(dǎo)體芯片的復(fù)雜布線引起的電氣問題，需要使用諸如RLGC等模型。因此，電氣模擬可以創(chuàng)建各種模型，并利用這些模型來預(yù)測高速數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸用時、信號質(zhì)量和形狀精度。

在封裝電氣分析過程中，電氣模型的基本元素包括電阻（Resistance）、電感（Inductance）和電容（Capacitance）。電阻的強(qiáng)度足以阻礙電流的流動，它與物體中的單位電流成反比。電感是電路中電流變化引起的電磁感應(yīng)形成的反電動勢的比率。最后，電容是電容器在單位電壓作用下儲存電荷的物理量。

▲圖6：電氣分析的不同方面（? HANOL出版社）

 如圖5所示，利用RLGC建模，可以預(yù)測的最重要特性，即信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和電磁干擾（EMI）。信號完整性衡量的是電信號的質(zhì)量，電源完整性衡量的是電源傳輸?shù)馁|(zhì)量。最后，EMI指電磁干擾，即輻射或傳導(dǎo)的電磁波會干擾其他設(shè)備的運行的因素。因此，應(yīng)提前檢查噪聲問題，盡可能縮短其發(fā)展周期，確保電源完整性和電源配送系統(tǒng)能夠支持創(chuàng)建可靠的電路板。信號完整性、電源完整性和電磁干擾之間存在著密切的有機(jī)聯(lián)系，因此，綜合考量這三種特性的設(shè)計方案對于電氣分析至關(guān)重要。

半導(dǎo)體封裝清洗

半導(dǎo)體芯片封裝過程中通常會使用助焊劑和錫膏等作為焊接輔料，這些輔料在焊接過程或多或少都會有部分殘留物，還包括制程中沾污的指印、汗液、角質(zhì)和塵埃等污染物。同時，半導(dǎo)體組裝了鋁、銅、鉑、鎳等敏感金屬和油墨字符、電磁碳膜和特殊標(biāo)簽等相當(dāng)脆弱的功能材料。這些敏感金屬和特殊功能材料對清洗劑的兼容性提出了很高的要求。

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