电子行业简介

电子行业是有限元分析应用的一个重要领域。随着全球电子工业的飞速发展，电子产品的设计愈来愈精细、复杂；市场竞争要求电子产品在性能指标大幅度提高的同时，还要日趋小型化。电子产品跌落、新型电子材料的研发和制造、音频设备声场特性的设计和评估、电子产品的热力仿真、芯片封装的热分析等的力学仿真是电子领域中很深入、复杂并极具挑战性的课题，需要多门学科的理论和方法的综合应用。

针对电子领域关注的各种线性、非线性、热力耦合，湿热耦合，跌落、开裂等力学问题，仿真分析软件有针对性的提供了相应的有限元分析解决方案。Abaqus的有限元分析能力已经被全球各大电子生产和设计单位所检验并得到了广泛的认可。

Abaqus等软件被应用于电子行业的各个方面，微观到芯片级组装，失效以及微观级别焊接等问题，宏观诸如个人电子用品的抗震，跌落，模态，热流动等分析。并且被各大电子设计厂商采用进行新产品的研发和设计。

目前，电子电器行业高端厂商对产品的可靠性要求非常高，生命周期长，且开发成本高昂，开发和失效分析过程对cae有较强需求。目前国内的行业cae能力不高。 电子电器产品属民用日常消耗品，生命周期短，产品量大，设计空间小，优化精度和难度大。从软体到双屏到穿戴等，技术点和新材料应用升级快，评估点多，挑战多。散热和强度问题严重。 
    电器产品例如大小家电，冰箱彩电洗衣机等，目前业界cae能力并不高。主要需求集中在包装跌落，运输风险等。医疗电子，需求方向则比较分散且复杂。

 典型应用领域

•  电子产品的热设计跌落与冲击试验
•  强度试验（应力与应变）
•  全局—局部冲击分析
•  耐久性与疲劳
•  钎焊接头分析
•  振动分析 

有限元在微电子行业的应用

1. Abaqus中PCB扩展模块

随着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。     

特性及优点：

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。

特性及优点

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。

另一个特性即，BGA（球焊栅格阵列）支持对含铅及无铅焊接行为的模拟，包括四种不同的球焊类型。可在板的上部或底部元件中应用球焊，或使其按照栅格阵型分布，还可以按照自定义的列表放置在任意的位置。外加很多控制参数，如板和元件的网格尺寸，球焊的尺寸，可通过绑定/合并元件选项来自动创建板及元件的网格。

PCB建模器的特性：

• IDF（中间数据格式）的导入  

支持IDF2.0以及3.0版本。

在导入的时候设定单位标准。

导入带有孔及裁减的板，所有元件及元件的所有实例。

可在同一个模型中导入多个板。

• 板的特性  

在创建板之前，可以查看或修改板的轮廓以及厚度。

可通过直径参数来激活或抑制板上的孔。

编辑、激活或抑制剪切块。

焊接层可放置在顶部或底部。

• 元件特性

在创建元件前可查看或修改其外形。

网格控制。

可在元件的底部添加焊膜。

设定BGA按照某一栅格分布或按照由用户定义的表格分布。

在元件的任一边缘以均匀或任意的方式排列铅。

支持正交各向异性材料

• 元件实例特性 

可以独立指定，激活或抑制元件实例的网格属性。 可在板的顶部或底部平移及旋转实例。

• 控制网格级别

例级别的控制高于元件级别，同样的元件级别的控制高于板：

绑定或合并元件

元件单元的尺寸

网格划分规则

单元类型

• 焊球特性

可创建一个焊球的模型库，任何一个元件都可引用其中的内容。

元件可以是多种焊球类型的混合。

 

        

• 铅的特性  
  建铅的模型库，任何一个元件都可引用其中的内容。 
   

         鸥形翼式铅图例

2. 封装过程模拟

 各级封装组件，如圆片的划片、切边，金属封装中的钎焊、退火，塑封中焊球的回流、固化，薄膜材料涂层等过程均是复杂的机械加工过程，研究其中的制造残余应力，结构翘曲是很重要的工作。Abaqus中强大的接触、单元生死、退火成形分析、蒙皮建模、子模型等功能可以有效的模拟各种制造过程。下图为新加坡微电子学研究所采用Abaqus子模型的功能研究BGA封装焊点的全局模型和研究局部细节的子模型网格图。

3. 断裂和材料失效分析

材料的剥离与失效可以在Abaqus中得到很好的模拟，包括模拟冲击材料的双面磨损功能。另外Abaqus的自适应网格功能为克服和补偿切割过程的大变形带来的网格奇异造成的计算误差，提供了有力的手段。

Abaqus提供特有的粘结单元（Cohesive element）和虚拟裂纹闭合技术（VCCT）来精确模拟粘结结构、层状结构粘结部位的分离和开裂，该技术被多家企业和研究机构大量使用，如波音、Intel、GE、杜邦、宝马等等。

Abaqus中最新提出的XFEM技术，可以模拟弹性材料中的裂纹扩展。  

 

Abaqus的断裂力学分析功能在商业求解器中是国际上公认的最强的，并且不断在客户推动下发展，最新功能包括粘结单元和虚拟裂纹闭合技术等工程断裂分析技术。此外，Abaqus可以很方便的进行材料剪切、拉伸、屈曲等工况下失效的模拟。这样为模拟芯片，模塑料等封装组件开裂问题提供了有力手段。右图是Intel公司和Abaqus合作，利用粘结单元模拟焊球和基板之间的开裂，对母板生产厂商提供设计标准。

4. 压电分析

 压电材料在MEMS中被广泛使用，Abaqus提供26种电固耦合单元可以进行这样的分析，覆盖杆、平面应变、平面应力、轴对称和实体各种单元类型，包括一阶和二阶单元。国际上两大专用MEMS软件Coventor和IntelliSense均把Abaqus作为求解器嵌入其分析模块中。

5. 新的电子材料

随着电子行业的发展和环保的要求，各种新的电子材料如特殊的半导体材料和无铅焊料层出不穷。各种新材料的机械性能、热性能和电性能往往具有其特殊之处，需要采用新的材料模型来描述。Abaqus除了具有广泛的材料模型库外，还提供了很友好的用户二次开发功能，用户可以使用Fortran和C++语言编写各种新的材料模型，并和Abaqus求解器关联来深入研究新的电子材料性能。这项功能也是国际上每年数以千计的学术论文是基于Abaqus发表的重要原因。

6. MEMS（微电子机械系统）装置分析

MEMS（微电子机械系统）装置的计算机分析具有与众不同的特点，需要有软件能够提供灵活的建模工具，对多重物理现象进行耦合，并将整个装置考虑到它们的宏观环境中去。为了满足这些要求，Abaqus和商用 MEMS 软件的开发者合作，向软件包提供必要的有限元分析功能。

重物理现象进行耦合，并将整个装置考虑到它们的宏观环境中去。为了满足这些要求，Abaqus和商用 MEMS 软件的开发者合作，向软件包提供必要的有限元分析功能。

在MEMS 设计和分析软件市场中，Coventor 是公认的市场领袖。CoventorWare 是一组集成的软件，它利用 Abaqus 进行结构、热力学、压电分析及电机和组件相结合的结构部分的分析。以下利用此集成软件做解决的问题。第一个为一个悬挂板式可变电容器，这种可变电容器是用于加速计、回转仪和射电频率 (RF) 产品中的可调电容器。在CoventorWare 中，利用Abaqus进行模型分析。可以通过改变有效材料密度来说明蚀刻空洞所占材料的质量，对没有蚀刻空洞的网格进行外形分析。在频率上，结果与包括蚀刻空洞的模拟非常的一致并且同时能够节省了时间，标称设计（不考虑工艺的不同对装置各层厚度、缝隙等的影响）的第一个频率预计为 80kHz，比更高模式要低很多。下图为预测模式的外形和位移量。

电子 - 机械特性以一种耦合的方式被确定，这种方式结合了装置的静电学和机械解。求解器通过以静电学和机械解的一个顺序反复迭代，使其结果正确。每一个新的解都要与以前的迭代进行比较，直到收敛。给悬挂电容器板加一个线性变化的电压，分析其电子机械性能。在“拉入”时，静电力克服机械回复力，电容器板折断或者拉向固定的电容器板。一旦与固定电容器板接触，悬挂电容器板的结构特性变为高度非线性。这种情况下，为了达到收敛，需要无数次求解迭代。由于分析的目的是为了确定拉入发生的时间，所以不考虑接触时的特性。右图所示的是在拉入发生之前悬挂电容器板上的位移量的等高线分布图。预期标称设计的拉入电压，介于 7.25 和 7.5 伏之间。确定一个 0.25 伏的范围是因为最后稳定点发生在 7.5 伏，在求解过程中决定使用 0.25 伏的范围。可以通过更小的压力阶跃对这个范围进行更精细的修正。

 第二个是一个静电开关（参见图），静电开关用在有线通讯系统的微观继电器中和无线通信系统的被动 RF 开关中。

 右图为一个 MEMS 开关的操作原理图。在“OFF”状态下，RF 线之间的电没有连通。在“ON”状态下，开关通过在开关自由端附近的金属凸起与传输线有电的连通。

 由于静电 - 机械耦合分析计算上花费很大，所以简化了模型。许多开关的布局被删除，固定区域用合适的边界条件代替。应用的载荷是一个电压周期，即线性增加到 80 伏，然后线性减小到 0 伏。预测开关 ON 电压为 25 伏。右图为在这个电压值下，简化模型得到的位移量的结果。

7. 分层和开裂

  Abaqus不光有断裂力学分析功能，而且在客户推动下，最新功能包括粘结单元和虚拟裂纹闭合技术（VCCT）等工程断裂分析技术。上图是Intel公司做的PCB板的弯曲，焊点失效。

8. 材料湿应力分析

  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。下图是Nokia公司、马里兰大学CALCE封装中心和Philips公司合作用Abaqus计算下填料（Underfill）中潮气扩散导致的湿应力问题的结果。

  

9.  金属导线的失效

 随着电子器件的微小化，金属导线越来越细，电流密度和器件本身的温度越来越高，电致失效的问题越来越突出，应用Abaqus能够预测导线的寿命和破坏位置。

10.  焊接焊缝模拟

   焊接数值模拟技术的发展是随着焊接实践经验的积累，有限元数值模拟技术，计算机技术等的发展而逐步开始的。焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场，残余应力，变形等几个方面。从而改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。焊接数值模拟技术就是利用数值模拟方法找到优化的焊接工艺参数，例如，焊接材料，温控条件，夹具条件，焊接顺序等等。同时能够通过模拟发现可能会出现的破坏。Abaqus能够很好的模拟焊接的整个过程进而帮助工程师优化焊接顺序，工艺以及发现可能出现裂缝的部位。 

   

11.   低周疲劳分析

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。下图即为Intel做的焊球的低周疲劳分析。