一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝熱疲勞結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化的新方法，包括以下步驟：確定待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，把封裝主要熱失效部件的熱疲勞應(yīng)變作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；對(duì)三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)分別進(jìn)行熱疲勞應(yīng)變的有限元分析和計(jì)算，形成完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表；根據(jù)完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的熱疲勞應(yīng)變值，運(yùn)用最小二乘法構(gòu)建高密度集成電路封裝目標(biāo)函數(shù)的二次曲面模型。此發(fā)明解決了高密度集成電路封裝熱可靠性分析和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，為高密度集成電路封裝熱可靠性分析和設(shè)計(jì)提供了新的方法。
【專利說(shuō)明】一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)與封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]集成電路領(lǐng)域的兩大關(guān)鍵技術(shù)是集成電路制造技術(shù)和集成電路封裝技術(shù)，集成電路要靠封裝來(lái)組成半導(dǎo)體器件，封裝是Cl支撐、保護(hù)的必要條件，也是其功能實(shí)現(xiàn)的重要組成部分。高密度集成電路封裝技術(shù)具有優(yōu)良的互連性能、低廉的組裝成本和抗高頻信號(hào)串?dāng)_等優(yōu)點(diǎn)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。
[0003]然而，由于高密度的互連，使它的連接部件特別是封裝小焊球，在電路的周期性通斷和環(huán)境溫度周期性變化的作用下，會(huì)產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力應(yīng)變，導(dǎo)致內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終使封裝失效，封裝特別是封裝焊點(diǎn)的熱機(jī)械失效成為高密度集成電路主要的失效模式。根據(jù)IEEE和JEDEC等機(jī)構(gòu)的資料統(tǒng)計(jì):在電子器件或電子整機(jī)的所有故障原因中，約有70%為封裝及其焊點(diǎn)熱失效造成的。高密度集成電路封裝熱機(jī)械可靠性成為微電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，要解決這一關(guān)鍵問(wèn)題，必須要對(duì)它進(jìn)行熱可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，J.T.HANN指出“隨著芯片集成度的提高和焊點(diǎn)尺寸的越來(lái)越小，必須進(jìn)行熱機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)以防熱失效”。但高密度集成電路封裝在循環(huán)的熱載荷作用下，其熱一機(jī)械耦合關(guān)系非常復(fù)雜，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的疲勞過(guò)程，迄今為止，還沒(méi)有建立有效的熱疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，極大地制約了高密度集成電路封裝技術(shù)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種既能保證高密度封裝主要失效部件熱疲勞可靠性，又能保證封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)在擾動(dòng)下的魯棒性的基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0006](I)確定待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，把封裝主要熱失效部件的熱疲勞應(yīng)變作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；
[0007](2)根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；
[0008](3)對(duì)三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)分別進(jìn)行熱疲勞應(yīng)變的有限元分析和計(jì)算，形成完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表；
[0009](4)根據(jù)完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的熱疲勞應(yīng)變值，運(yùn)用最小二乘法構(gòu)建高密度集成電路封裝目標(biāo)函數(shù)的二次曲面模型；
[0010](5)對(duì)高密度集成電路封裝目標(biāo)函數(shù)的二次曲面模型進(jìn)行方差檢驗(yàn)和精度驗(yàn)證。若在符合設(shè)計(jì)要求的置信水平下，模型是顯著的，則可利用此模型進(jìn)行優(yōu)化；反之須重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)，構(gòu)建新的二次曲面模型；[0011](6)利用滿足精度和要求的二次曲面模型，作出等效熱疲勞應(yīng)變的等高線，分析各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的交互作用和影響特性；
[0012](7)利用已構(gòu)造的二次曲面模型代替真實(shí)的有限元模型，建立多約束的高密度集成電路封裝的熱疲勞結(jié)構(gòu)可靠性穩(wěn)健優(yōu)化模型，并進(jìn)行求解，獲得優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)集，并驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:步驟(2)包括以下子步驟:
[0014](2.1)根據(jù)高密度集成電路封裝設(shè)計(jì)要求確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量值的容限范圍，以容限范圍的中值為中心點(diǎn)將它們的值設(shè)置成三個(gè)水平:+1，0和-1，它們代表容限值的上限值、中值和下限值；
[0015](2.2)由N個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量構(gòu)造N維的超立方體，每維的中心和超立方體每邊的中心分別設(shè)置一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，總共抽樣產(chǎn)生M個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，形成三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表，三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不存在軸向點(diǎn)且不會(huì)同時(shí)處于高水平狀態(tài)，使設(shè)計(jì)點(diǎn)都落在了安全區(qū)域，具有很強(qiáng)的魯棒性。
[0016]本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)置為:步驟(3)包括以下子步驟:
[0017](3.1)根據(jù)高密度封裝的結(jié)構(gòu)，和待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的中值，建立封裝體有限元的實(shí)體模型；
[0018](3.2)結(jié)合封裝體各部件的材料屬性，對(duì)封裝體有限元的實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0019](3.3)按一定溫度循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)，把循環(huán)的熱載荷加載到有限元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，在四到六個(gè)溫度循環(huán)周期下，對(duì)三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行有限元計(jì)算，求出主要失效部件最大等效的熱疲勞應(yīng)變值，得到完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表。
[0020]高密度集成電路封裝主要失效部件熱疲勞應(yīng)變二次曲面構(gòu)建的方法為: [0021 ] (a)構(gòu)造二次曲面的基函數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)確定待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，把封裝主要熱失效部件的熱疲勞應(yīng)變作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)； (2)根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； (3)對(duì)三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)分別進(jìn)行熱疲勞應(yīng)變的有限元分析和計(jì)算，形成完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表； (4)根據(jù)完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的熱疲勞應(yīng)變值，運(yùn)用最小二乘法構(gòu)建高密度集成電路封裝目標(biāo)函數(shù)的二次曲面模型； (5)對(duì)高密度集成電路封裝目標(biāo)函數(shù)的二次曲面模型進(jìn)行方差檢驗(yàn)和精度驗(yàn)證。若在符合設(shè)計(jì)要求的置信水平下，模型是顯著的，則可利用此模型進(jìn)行優(yōu)化；反之須重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)，構(gòu)建新的二次曲面模型； (6)利用滿足精度和要求的二次曲面模型，作出等效熱疲勞應(yīng)變的等高線，分析各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的交互作用和影響特性； (7)利用已構(gòu)造的二次曲面模型代替真實(shí)的有限元模型，建立多約束的高密度集成電路封裝的熱疲勞結(jié)構(gòu)可靠性穩(wěn)健優(yōu)化模型，并進(jìn)行求解，獲得優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)集，并驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(2)包括以下子步驟: (2.1)根據(jù)高密度集成電路封裝設(shè)計(jì)要求確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量值的容限范圍，以容限范圍的中值為中心點(diǎn)將它們的值設(shè)置成三個(gè)水平:+1，0和-1，它們代表容限值的上限值、中值和下限值； (2.2)由N個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量構(gòu)造N維的超立方體，每維的中心和超立方體每邊的中心分別設(shè)置一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，總共抽樣產(chǎn)生M個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，形成三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表，三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不存在軸向點(diǎn)且不會(huì)同時(shí)處于高水平狀態(tài)，使設(shè)計(jì)點(diǎn)都落在了安全區(qū)域，具有很強(qiáng)的魯棒性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(3)包括以下子步驟: (3.1)根據(jù)高密度封裝的結(jié)構(gòu)，和待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的中值，建立封裝體有限元的實(shí)體模型； (3.2)結(jié)合封裝體各部件的材料屬性，對(duì)封裝體有限元的實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； (3.3)按一定溫度循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)，把循環(huán)的熱載荷加載到有限元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，在四到六個(gè)溫度循環(huán)周期下，對(duì)三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行有限元計(jì)算，求出主要失效部件最大等效的熱疲勞應(yīng)變值，得到完整的三水平二階魯棒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于魯棒設(shè)計(jì)的高密度集成電路封裝的優(yōu)化方法，其特征在于:高密度集成電路封裝主要失效部件熱疲勞應(yīng)變二次曲面構(gòu)建的方法為:
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【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103970954SQ201410200307
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】萬(wàn)毅 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)