電子領域

國外重要客戶—— Nokia、Intel、Motorola、HP、IBM、Lenovo…
國內重要客戶—— 台積電、鴻海、正崴、華碩、宏達、英業達、廣達、友達、緯創、佳必琪、連展、禾昌…

熱傳導和熱應力問題

由不同材料組成的封裝元件在溫度變化的環境下會產生很大的熱應力,導致封裝失效。Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能,包括:穩態熱傳導和瞬態熱傳導分析,順序耦合熱固分析,完全耦合熱固分析,強制對流和輻射分析,熱介面接觸,熱電耦合等等。可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數的熱塑性、熱硬化性、高溫潛變等複雜材料模型,來模擬金屬、聚合物、複合材料等電子材料的熱學和力學性質。

Abaqus包括51種純熱傳導和熱電耦合元素,83種隱式和顯式完全熱固耦合元素,覆蓋杆、殼、平面應變、平面應力、軸對稱和實體各種元素類型,包括一階和二階元素,為使用者建模提供極大的方便。而其他通用有限元素分析軟體對應的熱分析元素數量都比Abaqus少,如ANSYS中純熱傳導和熱耦合元素總計約為40種,MARC中純熱傳導元素約為40種,無完全熱固耦合元素。右圖是臺灣新竹清華大學採用Abaqus分析BGA焊點熱應力和熱應變的模型圖。

Abaqus還是世界上各大汽車廠商分析發動機中熱固耦合和接觸問題的標準CAE軟體,如奧地利著名發動機生產商AVL在自己的發動機分析軟體AVL.Excite中嵌入Abaqus作為CAE求解器。右圖為Ford公司採用Abaqus分析四缸發動機蓋的溫度場分佈雲圖。

型應用

塑膠、陶瓷、金屬封裝等各種封裝元件在溫度載荷下的變形和受力、IC晶片和基板之間的導熱、封裝材料介面間的熱傳導、板上元件的強制對流散熱、電池散熱、散熱片通過空氣的輻射散熱等。

熱疲勞問題

由於受熱導致的應力和應變在溫度迴圈下會造成封裝材料疲勞失效,如倒裝焊中的焊點和表面貼裝中的引線熱疲勞問題。

Abaqus/Standard中的直接載荷迴圈分析功能提供了預測承受熱載荷的彈塑性結構的低周熱疲勞壽命。更複雜的疲勞問題可以通過Abaqus/fe-safe模組來實現。右圖是NEC公司和紐約州立大學Buffalo分校電子封裝中心合作採用Abaqus進行表面貼裝中共晶焊點熱疲勞失效分析的結果。

衝擊和跌落問題

深入研究個人手持電子產品的衝擊和跌落問題是具有挑戰的工作。難點來源於:

複雜的幾何體:典型的組成包括材料為 (1mm厚)熱塑塑膠的前後薄壁外殼,兩個或更多個印製電路板(PCB)、連接件、鈑金片、橡膠墊、電池、金屬彈簧和一個LCD顯示幕,PCB板是三明治結構,由2到6個螺釘固定。

許多元件間的接觸作用:各個元件置於主PCB板和前後外殼之間,由粘接劑或鉚頭固定,各個元件之間和內壁會發生接觸。

以上結構為薄壁結構,傳統方法採用殼元素模擬。但從CAD軟體中導入的模型中往往包括上千個表面,提取中面並劃分殼元素是一個需要高技巧和豐富經驗,並且非常耗費時間的工作。然而劃分四面體的實體元素可以在CAE有限元素軟體中自動完成,並且只需要幾分鐘。在這樣的情況下需要選擇精度和可靠性都很高的四面體元素。

跌落和碰撞問題一般需要採用顯式動力學方法進行求解,考慮裝配預應力的跌落和碰撞分析需要結合隱式和顯式的方法進行求解。Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit中均提供10結點的修正四面體元素,模擬接觸問題精度很高,並且兩個求解器的模型可以無縫轉化,這樣為進行衝擊和跌落分析提供了一種快捷、精確的方法。所以世界上重要手機和汽車生產商如ASUS、Nokia、BMW等都首選Abaqus作為跌落和碰撞分析的求解器。右上兩圖為華碩手機跌落分析模型和BMW汽車碰撞分析模型。

封裝製造過程模擬

各級封裝組件,如圓片的劃片、切邊,金屬封裝中的釺焊、退火,塑封中焊球的回流、固化,薄膜材料塗層等過程均是複雜的機械加工過程,研究其中的製造殘餘應力,結構翹曲是很重要的工作。Abaqus中強大的接觸、元素生死、退火成形分析、蒙皮建模、子模型等功能可以有效的模擬各種製造過程。上圖為新加坡微電子學研究所採用Abaqus子模型的功能研究BGA封裝焊點的全域模型和研究局部細節的子模型網格圖。

斷裂和材料失效分析

Abaqus的斷裂力學分析功能在商業求解器中是國際上公認的最強的,並且不斷在客戶推動下發展,最新功能包括粘結元素和虛擬裂紋閉合技術(VCCT)等工程斷裂分析技術。此外,Abaqus可以很方便的進行材料剪切、拉伸、屈曲等程序下失效的模擬。這樣為模擬晶片,模塑膠等封裝元件開裂問題提供了有力手段。右圖是Intel公司和Abaqus合作,利用粘結元素模擬焊球和基板之間的開裂,對主機板生產廠商提供設計標準。

濕應力

模塑膠、下填料等高分子材料在潮濕環境下會吸收水汽並脹大,造成封裝開裂、漏氣等。Abaqus中具有很強的品質擴散分析和土壤滲流和混凝土固結分析功能,其力學本質和濕應力問題類似,借助這些分析功能可以有效的解決熱-濕-固三場耦合分析問題。上圖是Nokia公司、馬里蘭大學CALCE封裝中心和Philips公司合作用Abaqus計算下填料(Underfill)中潮氣擴散導致的濕應力問題的結果。

聲場分析

MEMS、麥克風和手機等封裝元件中都需要進行聲場和聲固耦合的分析,Abaqus擁有強大的聲場和聲固耦合分析功能,對結構採用固體元素,對空氣採用聲場元素進行聲固耦合的分析,右圖是手機內部空氣的聲壓分佈雲圖。

使用感覺分析

Abaqus和HP公司一起合作研究過電腦鍵盤按鍵下的橡膠墊片的受力情況,確定使用者鍵入力、橡膠變形和電信號傳輸的關係,來提升使用者使用鍵盤的舒適性。該分析中涉及幾何大變形、超彈性材料和接觸非線性等複雜非線性問題,如右圖所示。

機構分析

Abaqus提供的多體動力學分析功能為機械設備的操縱和傳動系統等機構分析和運動過程模擬等提供了強有力的工具。在此基礎上,作為功能強大的CAE有限元素分析軟體,Abaqus還可以對結構運動過程中的變形和應力分佈情況進行即時的模擬和分析。截止到目前,考慮非線性的機構和結構耦合分析功能仍然是Abaqus所獨有的。右圖是佳能公司採用Abaqus該功能進行數位相機鏡頭旋轉過程中受力情況的分析。

壓電分析

壓電材料在MEMS中被廣泛使用,Abaqus提供26種電固耦合元素可以進行這樣的分析,覆蓋杆、平面應變、平面應力、軸對稱和實體各種元素類型,包括一階和二階元素。國際上兩大專用MEMS軟體CoventorWare和IntelliSense均把Abaqus作為求解器嵌入其分析模組中。

熱電分析

Abaqus可以進行穩態和瞬態熱電耦合分析工作。採用熱電耦合元素六面體DC3D8E和五面體DC3D6E劃分網格,這類元素包含9號自由度電勢和11號自由度溫度,電勢和電流在電分析中為一對共軛變數。電勢為邊界條件,電流為載荷,焦耳熱產生熱能導致節點溫度升高,進一步產生熱傳導過程。右圖為電路板過熱導致焊點融化的CAE有限元素分析模型。

新的電子材料

隨著電子行業的發展和環保的要求,各種新的電子材料如特殊的半導體材料和無鉛焊料層出不窮。各種新材料的機械性能、熱性能和電性能往往具有其特殊之處,需要採用新的材料模型來描述。Abaqus除了具有廣泛的材料模型庫外,還提供了很友好的用戶二次開發功能,用戶可以使用Fortran和C++語言編寫各種新的材料模型,並和Abaqus求解器關聯來深入研究新的電子材料性能。這項功能也是國際上每年數以千計的學術論文是基於Abaqus發表的重要原因。

機櫃等大型電子設備結構分析

Abaqus強大的線性和非線性功能非常適合大型電子設備的結構分析,如增強的接觸模擬功能,採用面面接觸演算法,可以考慮殼厚度、靈活的TIE約束、方便地施加螺栓預緊力、自動接觸穩定性控制,防止剛體位移導致的不收斂、弧長法做結構失穩的屈曲分析、結合線性模態動力學(包括自振頻率提取,模態動力學,基於模態和直接積分的穩態動力學分析,隨機響應分析,響應譜分析)和顯式非線性動力學進行結構的振動、衝擊、破壞等動力學模擬。右圖是台達電子採用Abaqus對電力機架進行抗震分析的模型。