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挠性基板叠装互联结构随机振动模态分析

2022-01-08李鹏赵鲁燕

电子设计工程 2022年1期
关键词:挠性基板振型

李鹏,赵鲁燕

(桂林电子科技大学海洋工程学院,广西北海 536000)

随着半导体集成电路技术的飞速发展,电子产品轻、薄、短、小的需求促使组装技术向三维立体组装方向发展,三维堆叠互联已成为新型电子产品组装技术[1]。三维立体组装在大幅提升产品组装密度、功能集成度的同时也引起了诸如抗振能力差等可靠性问题,特别是军事及空间类电子产品领域,组装模块适应恶劣环境能力的好坏将直接影响电子产品系统运行的可靠性[2]。研究提高电子设备机械动态环境下工作可靠性及抵御恶劣环境的能力大有裨益。

模态分析是结构随机振动分析的先决条件,文中针对挠性基板叠装互联结构进行了随机振动模态分析,探讨了互联结构的各阶固有频率和振型,研究了叠装互联结构中灌封材料和芯片布局等因素对结构模态特性的影响。

1 叠装互联结构模态分析

1.1 模态分析简介

有限元分析和模态分析技术在机械、航空航天等领域应用广泛。自由振动时结构具有的振动特性称为模态,由结构自身特性和材料特性决定。模态分析是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。模态参数包括固有频率、模态向量(振型)和模态阻尼等[3]。较之物理参数,模态参数能更好从整体上反映系统的动态特性。模态分析是进一步进行动力学分析如瞬态动力分析、谐响应分析及谱分析的起点[4]。模态分析可为后续振动分析、振动故障诊断与预测、结构动力特性优化提供重要依据。

1.2 仿真分析模型建立

1.2.1 叠装互联结构物理模型

挠性基板叠装互联结构以多层挠性印制电路为基板,组装了大量有源和无源器件,挠性基板卷曲折叠后用灌封胶灌封。挠性基板及内部芯片互联结构示意图如图1 所示,叠装互联结构及内部元件尺寸参数如表1 所示。

图1 互联结构示意图

表1 元件尺寸参数

1.2.2 有限元建模

为便于后续参数选择及优化,采用自带APDL参数化设计建模技术的ANSYS 软件,建立挠性基板叠装互联结构有限元模型[5]。参数化设计建模便于修改模型几何特征参数及结构布局等,提高了建模的灵活性和适用性[4]。建模过程中,应用ANSYS 前处理功能,结合自下向上和体素生成方法[5],建立的整体三维有限元实体模型如图2 所示。

图2 有限元实体模型

模型网格划分采用八结点四面体力学分析单元SOLID45,综合考虑运算速度和精度,先进行粗略网格划分后根据实际需要提高核心区域网格划分精度[6-9]。划分过程中,需对比多次网格划分模型的分析结果,进一步调整网格划分精度。针对模块内部元件进行提高网格密度的二次划分,基板、灌封胶则采用较为稀疏的网格划分,建立的互联结构有限元分析模型如图3 所示。

图3 整体有限元分析模型

1.2.3 约束施加

模态分析时需要对分析对象进行约束,以便计算结构受约束时的固有频率并进行相应处理[6]。叠装互联结构通过右侧面的接插件与外界相连并固定,模型中对接插件处施加全约束[7]。同时,对接插件周边区域施加单向约束,互联结构上下面6 个定位螺钉采用节点全约束。

1.2.4 材料属性定义

叠装互联结构共有4 种材料:内部芯片、挠性基板、灌封材料和接插件。整体互联结构中灌封材料占绝大部分,灌封材料选择对结构整体性能有较大影响[10-11]。灌封材料通常选择粘度低、韧性好、浸渍性好、内应力小的材料,且需具备优异的电性能,120 ℃下介电特性变化小,阻燃性达ULV-0 级[12]。

常用灌封材料主要有聚氨酯、硅橡胶、硅凝胶和环氧树脂等,综合考虑机械强度、固化收缩率及成本等因素,民用产品主要采用硅橡胶和聚氨酯,军工产品则多使用硅凝胶和环氧树脂,常用灌封材料主要性能如 表2 所 示[10]。

表2 灌封材料性能参数

综上,选择环氧树脂和硅橡胶作为研究对象,同时加入性能指标较均衡的酚醛树脂和聚酯树脂进行对比选择。4 种灌封材料、基板、芯片及接插件材料性能参 数如表3 所示[8、13-16]。

表3 材料性能参数

2 叠装互联结构模态分析

2.1 不同灌封材料互联结构模态分析

确定材料参数后,针对前述模型施加约束后进行运算,得到互联结构整体及内部芯片前十阶固有频率及振型[14]。分别对采用环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂和硅橡胶材料灌封时的互联结构进行模态分析。以环氧树脂为例,互联结构模态分析前五阶固有频率如表4 所示,取前五阶振型如图4 所示。

表4 前五阶固有频率

图4 模态分析前五阶振型图

分析可知,互联结构一阶振型以弯曲振型为主,远离接插件端Y向有较大弯曲形变,中间位置振幅较大;二阶模态是沿Z向的拉伸变形振型,上下底面全约束点出现较大形变位移;三阶模态是整体沿Y向弯曲的正弯曲振型,结构中部振幅最大,远离接插件侧振幅较明显;四阶模态是沿X方向的整体拉伸振型,中部位置出现了最大形变;五阶模态为整体扭曲振型,模块两侧以X向中心线向Y轴正负方向扭曲变形,上下底面约束点出现较大变形。

六阶模态为沿Z向摆动弯曲的弯扭复合振型;中部出现扭曲,上下底面全约束点出现较大变形;七阶模态是整体扭曲,模块绕对角线反方向扭转弯曲后产生扭曲变形;八阶模态是沿Y向弯曲的整体弯曲振型,振幅最大处位于模块中部,呈波浪状位移;九阶模态是沿X向中心线弯曲变形的整体弯曲振型,最大变形出现在模块灌封体两侧;十阶模态为整体扭曲压缩振型,模块沿对角线两角端向内部挤压产生扭曲变形。

采用4 种灌封材料条件下的前五阶固有频率、整体形变量及内部芯片形变量如表5~7 所示,对比可知硅橡胶灌封对应固有频率处于一般振动频率范围内,容易产生多阶共振而引起振动疲劳破坏。其余3 种灌封材料对应前五阶固有频率均高于一般振动频率,抗振性能较好。

表5 4种灌封材料前五阶固有频率(Hz)

表6 4种灌封材料下前五阶整体形变量(mm)

表7 4种灌封材料下前五阶内部芯片形变量(mm)

环氧树脂对应前五阶整体形变量最小,聚酯树脂、酚醛树脂灌封时整体形变量在可接受范围内,硅橡胶对应结构形变量最大。硅橡胶灌封时内部芯片形变量最小,其他3 种材料灌封时内部芯片形变量略大,但尚处于允许范围内。

对比分析互联结构各阶振型的综合性能可知,灌封材料对随机振动模态分析影响较显著,环氧树脂是挠性基板叠装互联结构的最佳灌封材料。

2.2 不同芯片布局互联结构模态分析

内部芯片布局对叠装互联结构动力学性能也有影响,主要体现在芯片分布的均匀性方面[15]。对叠装互联结构中N7、N8、N9 和N11 芯片位置进行调整后所得4 种芯片布局如图5 所示。

图5 4种芯片布局图

以环氧树脂为灌封材料,采用前述模型、材料参数及加载条件进行4 种芯片布局条件下的模态分析,对比分析4 种芯片布局条件下的固有频率、形变量。得到的前五阶固有频率、整体形变量及内部芯片形变量如表8~10 所示,其中布局1(初始布局)为前述分析所采用的芯片布局结构。

表8 不同芯片布局前五阶固有频率(Hz)

表9 不同芯片布局前五阶整体形变量(mm)

表10 不同芯片布局前五阶内部芯片形变量(mm)

对比分析可知,改变芯片布局对整体互联结构前五阶固有频率、整体形变量及内部芯片形变量无太大影响。4 种芯片布局条件下固有频率均远高于一般振动频率范围。芯片布局1 条件下前五阶固有频率、整体形变量及内部芯片形变量最优。

3 结论

文中运用ANSYS 软件建立了挠性基板叠装互联结构有限元模型并进行了模态分析,模块模态分析结果表明,采用硅橡胶灌封时模块结构固有频率最低,在工作环境中易发生结构共振。从动力学性能角度来看,环氧树脂是挠性基板叠装互联结构的最佳灌封材料;不同芯片布局对叠装模块模态分析结果影响不大,芯片布局1 条件下前五阶固有频率、整体形变量及内部芯片形变量都是最优的。在不破坏内部挠性基板和芯片的前提下,可对灌封结构尺寸进行再设计。模态分析结果为后续挠性基板叠装模块互联结构进行随机振动提供了重要的理论基础,直接影响随机振动载荷条件下叠装互联结构的振动受力状态及疲劳特性。

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