Abaqus 电子行业仿真分析实例〣

随着微电子技术的高速发展，主板主要元器件变得更小，速度越快，精密度更高，同时无铅焊接技术的全面引入给主板的焊点可靠性（Solder JointReliability）带来更大的挑战。电子产品的温度问题是电子产品失效的主要原因之一 , 严重制约了电子产品性能及可靠性的提高 , 降低了设备的工作寿命。因此 , 如何合理的仿真预测电子产品的温度分布就成为发现产品热缺陷 , 从而改善结构设计的关键。

机箱的温度场以及流场分析

PCB 设计的不断复杂，急需提出有创新、高效的算法。由 SIMULIA 南部区域工程师创建的 PCB 建模扩展模块，可高效的进行 PCB 的建模以及物理性质的仿真计算，从而缩短了产品研发周期并且降低了原型成本。

PCB 建模扩展模块与 Abaqus/CAE 完全结合在一起，基于广泛应用的 IDF（中间数据格式）技术，自动导入 PCB 几何模型并划分网格。可使用多种过滤器来控制几何模型的建立，如导入元件的尺寸以及预包含钻孔的直径。如果 IDF 数据不可用，可通过 PCB 建模器手动定义板和元件的几何模型。

由不同材料组成的封装组件在温度变化的环境下会产生很大的热应力，导致封装失效。Abaqus 具有强大的热固耦合分析功能，包括：稳态热传导和瞬态热传导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固分析，强制对流和辐射分析，热界面接触，热电耦合等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型，来模拟金属、聚合物、复合材料等电子材料的热学和力学性质。

由于焊脚比较多，一次性求解的计算规模较大，同时每个焊脚具有相同的属性，所以可以采用 Abaqus 里面子模型的方式来提高计算的效率。

3.1  焊球 connect 单元等效分析

由于芯片上焊球非常的多，用全网格计算耗时较长，可以通过 Abaqus 里面 connect 单元等效单个焊球，从而保证精确度的情况下加快求解的效率。

3.2  焊点界面失效仿真分析

3.3  循环载荷直接求解法 Direct Cyclic Procedure

在电子封装元器件的整个工作寿命中，始终受到主要表现为加热及冷却循环的周期性载荷的作用。由于在这些封装件中所使用材料的热膨胀系数的显著不同，在封装件中产生了可能导致疲劳失效的严重的应力集中。其中，焊球是最危险的位置，因为焊球是在高于其熔点温度一半的情况下承受着这些应力。在这些高温的作用下，这些焊球会发生蠕变。Abaqus 内的Direct cyclic 分析方法便是准静态分析，相比较于瞬态分析，可以大大节约计算成本，避免了由瞬态分析引起的巨大的时间耗费；其中应用修正的Newton算法，通过对 Fourier 级数展开和非线性材料行为的时间积分来迭代地获得结构的稳态循环响应；此方法适用于那些需获得稳态响应的有许多载荷循环的大型问题。

3.4  湿热应力仿真分析

模塑料、下填料等高分子材料在潮湿环境下会吸收水汽并胀大，造成封装开裂、漏气等。Abaqus 中具有很强的质量扩散分析和土壤渗流和混凝土固结分析功能，其力学本质和湿应力问题类似，借助这些分析功能可以有效的解决热－湿－固三场耦合分析问题。