一种基于鲁棒设计的高密度集成电路封装的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于鲁棒设计的高密度集成电路封装热疲劳结构可靠性优化的新方法，包括以下步骤：确定待优化的结构设计变量，把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为优化目标函数；根据确定的结构设计变量和优化目标，进行三水平二阶鲁棒实验设计；对三水平二阶鲁棒实验设计点分别进行热疲劳应变的有限元分析和计算，形成完整的三水平二阶鲁棒实验设计表；根据完整的三水平二阶鲁棒实验设计点和对应的热疲劳应变值，运用最小二乘法构建高密度集成电路封装目标函数的二次曲面模型。此发明专利技术解决了高密度集成电路封装热可靠性分析和设计的关键技术，为高密度集成电路封装热可靠性分析和设计提供了新的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于鲁棒设计的高密度集成电路封装的优化方法
本专利技术涉及集成电路设计与封装
，具体涉及一种基于鲁棒设计的高密度集成电路封装的优化方法。
技术介绍
集成电路领域的两大关键技术是集成电路制造技术和集成电路封装技术，集成电路要靠封装来组成半导体器件，封装是CI支撑、保护的必要条件，也是其功能实现的重要组成部分。高密度集成电路封装技术具有优良的互连性能、低廉的组装成本和抗高频信号串扰等优点成为发展的必然趋势。然而，由于高密度的互连，使它的连接部件特别是封装小焊球，在电路的周期性通断和环境温度周期性变化的作用下，会产生热机械应力应变，导致内部裂纹的萌生和扩展，最终使封装失效，封装特别是封装焊点的热机械失效成为高密度集成电路主要的失效模式。根据IEEE和JEDEC等机构的资料统计：在电子器件或电子整机的所有故障原因中，约有70％为封装及其焊点热失效造成的。高密度集成电路封装热机械可靠性成为微电子领域研究的热点之一，要解决这一关键问题，必须要对它进行热可靠性优化设计，J.T.HANN指出“随着芯片集成度的提高和焊点尺寸的越来越小，必须进行热机械可靠性设计以防热失效”。但高密度集成电路封装在循环的热载荷作用下，其热－机械耦合关系非常复杂，是一个动态的疲劳过程，迄今为止，还没有建立有效的热疲劳优化设计方法，极大地制约了高密度集成电路封装技术的发展。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种既能保证高密度封装主要失效部件热疲劳可靠性，又能保证封装结构参数在扰动下的鲁棒性的基于鲁棒设计的高密度集成电路封装的优化方法。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种基于鲁棒设计的高密度集成电路封装的优化方法，包括如下步骤：(1)确定待优化的结构设计变量，把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为优化目标函数；(2)根据确定的结构设计变量和优化目标，进行三水平二阶鲁棒实验设计；(3)对三水平二阶鲁棒实验设计点分别进行热疲劳应变的有限元分析和计算，形成完整的三水平二阶鲁棒实验设计表；(4)根据完整的三水平二阶鲁棒实验设计点和对应的热疲劳应变值，运用最小二乘法构建高密度集成电路封装目标函数的二次曲面模型；(5)对高密度集成电路封装目标函数的二次曲面模型进行方差检验和精度验证。若在符合设计要求的置信水平下，模型是显著的，则可利用此模型进行优化；反之须重新设计试验，构建新的二次曲面模型；(6)利用满足精度和要求的二次曲面模型，作出等效热疲劳应变的等高线，分析各结构设计变量的交互作用和影响特性；(7)利用已构造的二次曲面模型代替真实的有限元模型，建立多约束的高密度集成电路封装的热疲劳结构可靠性稳健优化模型，并进行求解，获得优化的封装结构参数集，并验证优化结果。本专利技术进一步设置为：步骤(2)包括以下子步骤：(2.1)根据高密度集成电路封装设计要求确定结构设计变量值的容限范围，以容限范围的中值为中心点将它们的值设置成三个水平：+1，0和-1，它们代表容限值的上限值、中值和下限值；(2.2)由N个结构设计变量构造N维的超立方体，每维的中心和超立方体每边的中心分别设置一个实验点，总共抽样产生M个实验点，形成三水平二阶鲁棒实验设计表，三水平二阶鲁棒实验设计不存在轴向点且不会同时处于高水平状态，使设计点都落在了安全区域，具有很强的鲁棒性。本专利技术还进一步设置为：步骤(3)包括以下子步骤：(3.1)根据高密度封装的结构，和待优化的结构设计变量的中值，建立封装体有限元的实体模型；(3.2)结合封装体各部件的材料属性，对封装体有限元的实体模型进行网格划分；(3.3)按一定温度循环的标准，把循环的热载荷加载到有限元的每个节点上，在四到六个温度循环周期下，对三水平二阶鲁棒实验设计表中每个实验设计点进行有限元计算，求出主要失效部件最大等效的热疲劳应变值，得到完整的三水平二阶鲁棒实验设计表。高密度集成电路封装主要失效部件热疲劳应变二次曲面构建的方法为：(a)构造二次曲面的基函数：其中，G＝[1，p1，…，pn，p12，p1p2，…，p1pn，p22，p2p3，…，p2pn，…，pn-12，pn-1pn，pn2]，为高密度集成电路封装主要失效部件热疲劳应变二次曲面的输出值，P＝(p1，p2，…，pn)为封装的结构设计变量，为对应设计变量的系数矩阵。ε表示有限元热疲劳应变的输出值ε＝(ε1，ε２，…，εm)，n为封装结构设计变量的个数，m为三水平二阶鲁棒试验设计数。(b)基函数对二次曲面系数求偏导：得到二次曲面的系数矩阵式中，qji为三水平二阶鲁棒实验设计表中第j个实验设计点第i个设计变量值。(c)建立基于三水平二阶鲁棒实验设计二次曲面模型：本专利技术的优点是：本专利技术是把非线性理论、疲劳可靠性理论和鲁棒设计理论引入到高密度集成电路封装的热设计中，提出了基于三水平二阶鲁棒试验设计、非线性有限元和二次曲面相融合的鲁棒热疲劳可靠性优化设计方法，把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为目标函数对热循环载荷作用下的高密度封装进行热可靠性优化设计建模和求解，在设计范围内获得高密度集成电路封装的最佳结构参数集，使主要热失效部件的内部最大等效热疲劳应变减到最小，并且得出各结构设计变量对热疲劳应变的交互作用和影响特性。此方法既能保证高密度封装主要失效部件热疲劳可靠性，又能保证封装结构参数在扰动下的鲁棒性。此专利技术解决了高密度集成电路封装热可靠性分析和设计的关键技术，为高密度集成电路封装热可靠性分析和设计提供了新的方法。下面结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。附图说明图1为本专利技术实施例基于鲁棒设计的高密度集成电路封装热疲劳结构可靠性优化的流程图；图2为本专利技术实施例三水平二阶鲁棒实验设计图；图3为本专利技术实施例FSBGA封装有限元网络模型图；图4为本专利技术实施例一个实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于鲁棒设计的高密度集成电路封装的优化方法，其特征在于：包括如下步骤： (1)确定待优化的结构设计变量，把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为优化目标函数； (2)根据确定的结构设计变量和优化目标，进行三水平二阶鲁棒实验设计； (3)对三水平二阶鲁棒实验设计点分别进行热疲劳应变的有限元分析和计算，形成完整的三水平二阶鲁棒实验设计表； (4)根据完整的三水平二阶鲁棒实验设计点和对应的热疲劳应变值，运用最小二乘法构建高密度集成电路封装目标函数的二次曲面模型； (5)对高密度集成电路封装目标函数的二次曲面模型进行方差检验和精度验证。若在符合设计要求的置信水平下，模型是显著的，则可利用此模型进行优化；反之须重新设计试验，构建新的二次曲面模型； (6)利用满足精度和要求的二次曲面模型，作出等效热疲劳应变的等高线，分析各结构设计变量的交互作用和影响特性； (7)利用已构造的二次曲面模型代替真实的有限元模型，建立多约束的高密度集成电路封装的热疲劳结构可靠性稳健优化模型，并进行求解，获得优化的封装结构参数集，并验证优化结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于鲁棒设计的高密度集成电路封装的优化方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)确定待优化的结构设计变量，把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为优化目标函数；(2)根据确定的结构设计变量和优化目标，进行三水平二阶鲁棒实验设计；(3)对三水平二阶鲁棒实验设计点分别进行热疲劳应变的有限元分析和计算，形成完整的三水平二阶鲁棒实验设计表；(4)根据完整的三水平二阶鲁棒实验设计点和对应的热疲劳应变值，运用最小二乘法构建高密度集成电路封装目标函数的二次曲面模型；(5)对高密度集成电路封装目标函数的二次曲面模型进行方差检验和精度验证；若在符合设计要求的置信水平下，模型是显著的，则可利用此模型进行优化；反之须重新设计试验，构建新的二次曲面模型；(6)利用满足精度和要求的二次曲面模型，作出等效热疲劳应变的等高线，分析各结构设计变量的交互作用和影响特性；(7)利用已构造的二次曲面模型代替真实的有限元模型，建立多约束的高密度集成电路封装的热疲劳结构可靠性稳健优化模型，并进行求解，获得优化的封装结构参数集，并验证优化结果；步骤(2)包括以下子步骤：(2.1)根据高密度集成电路封装设计要求确定结构设计变量值的容限范围，以容限范围的中值为中心点将它们的值设置成三个水平：+1，0和-1，它们代表容限值的上限值、中值和下限值；(2.2)由N个结构设计变量构造N维的超立方体，每维的中心和超立方体每边的中心分别设置一个实验点，总共抽样产生M个实验点，形成三水平二阶鲁棒实验设计表，三水平二阶鲁棒实验设计不存在轴向点且不会同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：万毅，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33