孟 超，張志耀，田 芳，韋 杰，溫 巖

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

引言

倒裝焊技術(shù)是指IC 芯片面朝下，與封裝外殼或布線基板直接互聯(lián)的一種技術(shù)。倒裝芯片焊接（FCB）技術(shù)鍵合引線短，凸點直接與印刷線路板或其他基板焊接，引線電感小，信號間串?dāng)_小，信號傳輸延時短，電性能好,是互連中延時最短、寄生效應(yīng)最小的一種互連方法[1]。

隨著科技的發(fā)展，芯片的尺寸規(guī)格在不斷增大。為了實現(xiàn)芯片與基板的可靠互聯(lián)，在倒裝焊接的過程中就需要有更大的壓力。對于大規(guī)格尺寸的芯片，傳統(tǒng)的工藝已不能滿足使用需求。為了解決這一問題，廠家采用“倒裝對位預(yù)焊+高精度、高量程壓力互聯(lián)”的工藝方案，即采用常規(guī)倒裝焊進行裸芯片與基板的對位預(yù)焊，然后再采用高精度、高量程壓力完成互聯(lián)。

1 加壓機構(gòu)三維模型的建立

對于有些大規(guī)格的芯片，有時要提供高達10 t 的壓力。由于壓力較大，對高精度、高量程壓力機構(gòu)的要求就會提高，比如變形要小、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高等。為了使機構(gòu)設(shè)計合理，采用SolidWorks 軟件對其進行建模，進行有限元分析。加壓機構(gòu)設(shè)計為三梁四柱結(jié)構(gòu)，具有一定的剛度和易于調(diào)整等優(yōu)點，由上橫梁、活動橫梁、下橫梁、電動缸、立板支柱、導(dǎo)向裝置、上壓板和提升氣缸部件等組成。考慮到后續(xù)有限元模型網(wǎng)格劃分及結(jié)果分析的便利，對加壓機構(gòu)做了一定的簡化，如圖1 所示。

圖1 加壓機構(gòu)簡化三維模型圖

2 加壓機構(gòu)有限元模型的建立

將簡化后的三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，按表1 的參數(shù)為零件添加材料屬性。

表1 材料性能參數(shù)

由于加壓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故選用四面體單元進行劃分。網(wǎng)格劃分是有限元分析中關(guān)鍵的一個步驟，劃分的好壞會影響后期計算的速度和精度。網(wǎng)格劃分細致，會使結(jié)果更加精確，但是會增加CPU 的計算時間和更大的存儲空間。理想的網(wǎng)格劃分是當(dāng)網(wǎng)格細化后，計算結(jié)果沒有明顯的改變。但是，如果加載及約束等與實際有所不符時，即使細化網(wǎng)格，計算的結(jié)果也是錯誤的。

加載情況是有限元分析的前提，必須明確零件工作時的最大承受載荷，才能精確計算零件的靜態(tài)剛、強度[2]。如果把加壓機構(gòu)受到的力都加以考慮，并用有限元分析會導(dǎo)致模型復(fù)雜，增加計算時間。在加載時，主要考慮自身重力、加載的10 t 壓力。

邊界條件包括部件的約束條件、剛性位移等因素，要根據(jù)實際工作狀態(tài)進行仔細分析。根據(jù)實際的情況，對下橫梁的L 型面、上橫梁與軸配合的面進行約束。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 靜力分析

經(jīng)過計算,加壓機構(gòu)體受載后的等效應(yīng)力計算結(jié)果如下頁圖2 所示,可以看出加壓機構(gòu)的應(yīng)力最大值為28.7 MPa，發(fā)生在上橫梁與導(dǎo)向軸接觸部分,大部分在3.19 MPa 以下。鑄造碳鋼的屈服強度約為200 MPa，完全滿足強度要求。加壓機構(gòu)還可以進行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕重量。下頁圖3 顯示了加壓機構(gòu)受載后的總變形云圖，結(jié)構(gòu)總變形最大值約為0.020 4 mm,最大變形位于上橫梁與電缸連接處、下橫梁處，結(jié)構(gòu)的總變形較小,能滿足在10 t 壓力加載下，產(chǎn)品具有較高的合格率。

圖2 節(jié)點等效應(yīng)力圖

圖3 節(jié)點總變形云圖

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動特性包括固有頻率和振型[3]。通過ANSYS 軟件進行加壓機構(gòu)的模態(tài)分析,對加壓機構(gòu)的有限元模型施加約束并且只考慮重力的影響，確定結(jié)構(gòu)的固有頻率以及振型。圖4、圖5 顯示了1、2 階變形云圖。1～6 階固有頻率和振型結(jié)果，如表2 所示,加壓機構(gòu)模型的頻率比較均勻，動態(tài)性能較好，高階頻率下有較強的抗彎能力。

表2 大壓力鍵合設(shè)備加壓機構(gòu)前6 階模態(tài)

圖4 加壓機構(gòu)1 階變形云圖

圖5 加壓機構(gòu)2 階變形云圖

3.3 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時也稱為外型優(yōu)化。拓撲優(yōu)化的目標是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳分配方案。這種方案在拓撲優(yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計[4]。經(jīng)ANSYS 軟件的靜力分析可以得出，加壓機構(gòu)有較好的強度，可以滿足使用，故可以對其采用拓撲優(yōu)化。在Shape Finder 模塊中,保證所研究對象的總體結(jié)構(gòu)不變，使體積最小化，盡可能地尋找對整體結(jié)構(gòu)強度不產(chǎn)生負面影響的可去除面積[5]。

本文擬定縮減的目標為原質(zhì)量的15%。優(yōu)化后的結(jié)果如圖6 所示，用黑色線圈住部分為加壓機構(gòu)的可去除部分，用白線圈住部分代表邊緣部分?？筛鶕?jù)拓撲優(yōu)化的結(jié)果對加壓機構(gòu)進行進一步的改進。

圖6 拓撲優(yōu)化結(jié)果示意圖

4 結(jié)語

通過SolidWorks 軟件建立了高精度、高量程加壓機構(gòu)的實體模型,并應(yīng)用ANSYS 軟件對其進行了靜態(tài)設(shè)計，通過計算結(jié)果得知，加壓機構(gòu)的剛、強度較好，可以滿足使用，并可以進行優(yōu)化設(shè)計。模態(tài)分析表明，加壓機構(gòu)的相鄰階次的固有頻率差別較小，動態(tài)性能較好。通過拓撲優(yōu)化，以減輕總質(zhì)量的15%為目標，可以得到結(jié)構(gòu)的可優(yōu)化部分，為后續(xù)的設(shè)計提供方向和參考。