高精度、高量程加壓機(jī)構(gòu)的有限元分析

孟 超，張志耀，田 芳，韋 杰，溫 巖

（中國電子科技集團(tuán)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(diǎn)直接與印刷線路板或其他基板焊接，引線電感小，信號(hào)間串?dāng)_小，信號(hào)傳輸延時(shí)短，電性能好,是互連中延時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(jìn)行裸芯片與基板的對(duì)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(jī)構(gòu)三維模型的建立

對(duì)于有些大規(guī)格的芯片，有時(shí)要提供高達(dá)10 t 的壓力。由于壓力較大，對(duì)高精度、高量程壓力機(jī)構(gòu)的要求就會(huì)提高，比如變形要小、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高等。為了使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，采用SolidWorks 軟件對(duì)其進(jìn)行建模，進(jìn)行有限元分析。加壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)，由上橫梁、活動(dòng)橫梁、下橫梁、電動(dòng)缸、立板支柱、導(dǎo)向裝置、上壓板和提升氣缸部件等組成?？紤]到后續(xù)有限元模型網(wǎng)格劃分及結(jié)果分析的便利，對(duì)加壓機(jī)構(gòu)做了一定的簡(jiǎn)化，如圖1 所示。

圖1 加壓機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化三維模型圖

2 加壓機(jī)構(gòu)有限元模型的建立

將簡(jiǎn)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故選用四面體單元進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分是有限元分析中關(guān)鍵的一個(gè)步驟，劃分的好壞會(huì)影響后期計(jì)算的速度和精度。網(wǎng)格劃分細(xì)致，會(huì)使結(jié)果更加精確，但是會(huì)增加CPU 的計(jì)算時(shí)間和更大的存儲(chǔ)空間。理想的網(wǎng)格劃分是當(dāng)網(wǎng)格細(xì)化后，計(jì)算結(jié)果沒有明顯的改變。但是，如果加載及約束等與實(shí)際有所不符時(shí)，即使細(xì)化網(wǎng)格，計(jì)算的結(jié)果也是錯(cuò)誤的。

加載情況是有限元分析的前提，必須明確零件工作時(shí)的最大承受載荷，才能精確計(jì)算零件的靜態(tài)剛、強(qiáng)度[2]。如果把加壓機(jī)構(gòu)受到的力都加以考慮，并用有限元分析會(huì)導(dǎo)致模型復(fù)雜，增加計(jì)算時(shí)間。在加載時(shí)，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(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)分析。根據(jù)實(shí)際的情況，對(duì)下橫梁的L 型面、上橫梁與軸配合的面進(jìn)行約束。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 靜力分析

經(jīng)過計(jì)算,加壓機(jī)構(gòu)體受載后的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下頁圖2 所示,可以看出加壓機(jī)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(qiáng)度約為200 MPa，完全滿足強(qiáng)度要求。加壓機(jī)構(gòu)還可以進(jìn)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(jī)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(diǎn)等效應(yīng)力圖

圖3 節(jié)點(diǎn)總變形云圖

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型[3]。通過ANSYS 軟件進(jìn)行加壓機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析,對(duì)加壓機(jī)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(jī)構(gòu)模型的頻率比較均勻，動(dòng)態(tài)性能較好，高階頻率下有較強(qiáng)的抗彎能力。

表2 大壓力鍵合設(shè)備加壓機(jī)構(gòu)前6 階模態(tài)

圖4 加壓機(jī)構(gòu)1 階變形云圖

圖5 加壓機(jī)構(gòu)2 階變形云圖

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外型優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)[4]。經(jīng)ANSYS 軟件的靜力分析可以得出，加壓機(jī)構(gòu)有較好的強(qiáng)度，可以滿足使用，故可以對(duì)其采用拓?fù)鋬?yōu)化。在Shape Finder 模塊中,保證所研究對(duì)象的總體結(jié)構(gòu)不變，使體積最小化，盡可能地尋找對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不產(chǎn)生負(fù)面影響的可去除面積[5]。

本文擬定縮減的目標(biāo)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(jī)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?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果對(duì)加壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

圖6 拓?fù)鋬?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(jī)構(gòu)的實(shí)體模型,并應(yīng)用ANSYS 軟件對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)設(shè)計(jì)，通過計(jì)算結(jié)果得知，加壓機(jī)構(gòu)的剛、強(qiáng)度較好，可以滿足使用，并可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。模態(tài)分析表明，加壓機(jī)構(gòu)的相鄰階次的固有頻率差別較小，動(dòng)態(tài)性能較好。通過拓?fù)鋬?yōu)化，以減輕總質(zhì)量的15%為目標(biāo)，可以得到結(jié)構(gòu)的可優(yōu)化部分，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供方向和參考。