搜索電子系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計(jì) 像彈簧銷(xiāo)一樣出色
2016-11-03 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
Rosenberger采用機(jī)械和電氣仿真,為半導(dǎo)體測(cè)試提供了比傳統(tǒng)彈簧銷(xiāo)更出色的選擇。
半導(dǎo)體制造商采用自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(ATE)在特定器件安裝到最終產(chǎn)品之前對(duì)器件性能進(jìn)行驗(yàn)證。今天的半導(dǎo)體非常復(fù)雜,需要執(zhí)行許多功能,而ATE 系統(tǒng)通常會(huì)測(cè)試所有或者至少大部分功能。ATE 系統(tǒng)通常會(huì)連接到處理器,處理器將待測(cè)半導(dǎo)體或者待測(cè)器件(DUT)放在接口測(cè)試適配器(ITA)上,ITA 上的插槽與DUT 上的連接器之間采用電氣連接。DUT 和ATE 間許多所需的連接通常用彈簧銷(xiāo)或彈簧針陣列實(shí)現(xiàn),這種陣列采用載有彈簧的高長(zhǎng)寬比缸體,DUT 和插槽壓在一起就會(huì)在連接器上產(chǎn)生力。
隨著晶體管以及半導(dǎo)體技術(shù)的不斷小型化,找到空間安放所有所需的彈簧銷(xiāo)以連接DUT 上的電子連接器產(chǎn)品將會(huì)變得越來(lái)越困難,特別是當(dāng)DUT 在未切割晶片上包含集成電路時(shí)尤為如此。不過(guò)彈簧銷(xiāo)或彈簧針不能采用傳統(tǒng)制造方法來(lái)大幅減小尺寸。Rosenberger High Frequency Technology 采用LIGA(基于德文光刻、電鍍和注塑的縮寫(xiě))工藝應(yīng)對(duì)這一大挑戰(zhàn),通過(guò)半導(dǎo)體制造方法準(zhǔn)確構(gòu)建復(fù)雜的微型機(jī)制比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的最小互聯(lián)還要小很多。采用LIGA 工藝制造的單片兼容型互聯(lián)(MCI)尺寸可減至10μm 寬,同時(shí)還具有數(shù)十種可改善機(jī)械和電氣性能的幾何特性。LIGA 工藝能幫助機(jī)械工程師自由地設(shè)計(jì)引腳,由于支持小體積的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),因此機(jī)械行為的實(shí)現(xiàn)不會(huì)影響電氣性能。
LIGA 工藝可分為兩種:X 射線(xiàn)和紫外線(xiàn)。就X 射線(xiàn)LIGA工藝而言,可將導(dǎo)體籽晶層應(yīng)用于硅晶圓,然后用旋涂法加上光阻層。晶圓暴露于穿過(guò)掩膜的高能X 射線(xiàn),掩膜上覆蓋吸收X 射線(xiàn)的材料,并且與要制造的引腳的橫截面幾何形狀相反。將光刻膠固化和憑借化學(xué)方式除去非暴露光刻膠都會(huì)在晶圓表面留下腔體圖案,以匹配晶圓上待構(gòu)建的MCI 幾何結(jié)構(gòu)。晶圓通過(guò)鍍?cè)》ㄟM(jìn)行電鍍。向晶圓施加負(fù)電荷可以吸收金屬離子填充腔體。光刻膠采用等離子蝕刻工藝除去,導(dǎo)體籽晶層以化學(xué)方式除去,從而實(shí)現(xiàn)部件與晶圓分離。最后將MCI 鍍金以提高導(dǎo)電性。
相對(duì)于X 射線(xiàn)LIGA 工藝的另一種設(shè)計(jì)方案采用紫外線(xiàn)(UV)光源而不是X 射線(xiàn)來(lái)接觸光刻膠。X 射線(xiàn)LIGA 工藝的精確度更高、長(zhǎng)寬比更大,UV LIGA工藝的經(jīng)濟(jì)性則更好,因?yàn)樗捎玫氖窍鄬?duì)成本較低的紫外線(xiàn)光源。
從晶圓除去之后但在與各組件分離之前的MCI和相關(guān)組件
硬幣上疊加的MCI
艱巨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
MCI 在機(jī)械和電氣方面面臨著極其艱巨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。從機(jī)械上來(lái)說(shuō),我們的目標(biāo)是最大限度地減小器件應(yīng)力,確保器件能支持成千上萬(wàn)次接觸,同時(shí)給接觸接口提供足夠的力支持,也就是最大化接觸的儲(chǔ)存應(yīng)變能功能來(lái)提高力支持(最大化通行距離上積累的力),從而確保每次接觸都能實(shí)現(xiàn)電氣連接。從電氣角度來(lái)看,我們的目標(biāo)是確保信號(hào)傳輸?shù)耐暾?。互?lián)通常要在測(cè)試進(jìn)程中以極高的頻率工作,這就加大了電氣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)要求通常會(huì)彼此沖突。例如,互聯(lián)添加額外材料可改進(jìn)疲勞性能,但卻會(huì)成為輻射高頻信號(hào)的天線(xiàn),向鄰近引腳或ATE 中的其它電路系統(tǒng)擴(kuò)散。
Rosenberger 是高頻和光纖技術(shù)領(lǐng)域連接器解決方案的全球領(lǐng)先制造商。公司工程師面臨著雙重挑戰(zhàn),一方面要讓開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足客戶(hù)的高標(biāo)準(zhǔn)性能要求,另一方面又要滿(mǎn)足嚴(yán)格的開(kāi)發(fā)時(shí)限要求。滿(mǎn)足單個(gè)產(chǎn)品的目標(biāo),往往需要幾十次迭代。Rosenberger 每年都要設(shè)計(jì)好幾十款新產(chǎn)品。構(gòu)建和測(cè)試原型產(chǎn)品需要兩三個(gè)月,其中大多數(shù)時(shí)間都花在了構(gòu)建掩膜這一復(fù)雜昂貴的工藝上面。采用構(gòu)建測(cè)試法評(píng)估數(shù)十次迭代所需的時(shí)間約為6 年,大大超出了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正常時(shí)間安排(6 到8個(gè)星期)。因此,Rosenberger 采用ANSYS Mechanical 和 ANSYS HFSS 仿真工具在ANSYS Workbench 環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代,滿(mǎn)足客戶(hù)的機(jī)械和電氣性能要求,同時(shí)確保足夠的穩(wěn)健性,以應(yīng)對(duì)制造變化的要求。由于能在統(tǒng)一環(huán)境中執(zhí)行完整的仿真進(jìn)程,這就降低了許可、培訓(xùn)和管理成本,同時(shí)也有望在未來(lái)針對(duì)電氣和機(jī)械屬性自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
周期過(guò)程中部分MCI 接觸的應(yīng)力分配
機(jī)械和電氣仿真
采用AutoCad®、Ashlar Vellum ?軟件、SolidWorks® 或Pro/ENGINEER®等任意一款計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)套件,均可將互聯(lián)作為2D 部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨后可將其轉(zhuǎn)換為SolidWorks 3D 部件以設(shè)計(jì)包含多個(gè)互聯(lián)及其相關(guān)部件的裝配體,如連接器塊和印刷電路板(PCB)安裝硬件等。接觸的幾何結(jié)構(gòu)配置已發(fā)展到需要進(jìn)行FEA 分析,這時(shí)工程師應(yīng)導(dǎo)入SolidWorks 模型到ANSYS Workbench并定義靜態(tài)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。執(zhí)行大多數(shù)分析時(shí)是將分析類(lèi)型設(shè)置為2D。機(jī)械工程師修改幾何結(jié)構(gòu),生成剛好足夠的壓力在器件被壓縮時(shí)實(shí)現(xiàn)電接觸,從而最大限度地減少部件應(yīng)力。最終配置采用3D 模型和3D 分析設(shè)置重新運(yùn)行。團(tuán)隊(duì)隨后可以將偏轉(zhuǎn)形狀(以上確定)轉(zhuǎn)化為偏轉(zhuǎn)形狀的3D CAD 模型。對(duì)于非常簡(jiǎn)單的模型來(lái)說(shuō),3D 模型可直接從Workbench 輸出。不過(guò),對(duì)于較復(fù)雜的模型來(lái)說(shuō),偏轉(zhuǎn)幾何結(jié)構(gòu)要導(dǎo)出為矢量圖形文件。這份文件可用來(lái)創(chuàng)建載入/偏轉(zhuǎn)部件的SolidWorks 模型。
偏轉(zhuǎn)形狀的3D 模型隨后可載入HFSS 進(jìn)行電氣/ 電磁仿真。在HFSS中,根據(jù)客戶(hù)的應(yīng)用要求(例如上升時(shí)間、帶寬或者串?dāng)_),工程師通常先進(jìn)行從DC 到適當(dāng)上頻率的掃頻。工程師重點(diǎn)關(guān)注S 參數(shù),其可描述給定端口上的信號(hào)是如何散射并在其它端口退出,包括反射到相同端口、傳輸?shù)竭B接端口并耦合到其它端口。典型的目標(biāo)是S11 回波損耗為–15dB 而S21 性能為–1dB。HFSS 輸出通常導(dǎo)出到ANSYS Designer電路仿真器,通過(guò)讀取S 參數(shù)可生成時(shí)間域仿真,以評(píng)估數(shù)字通道的質(zhì)量。Rosenberger 團(tuán)隊(duì)通常生成眼圖來(lái)提供即時(shí)可視數(shù)據(jù),讓工程師用以檢查設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。將相鄰信號(hào)路徑添加到仿真中,以評(píng)估串?dāng)_的可能性,并根據(jù)客戶(hù)規(guī)范檢查復(fù)合反應(yīng)。
較小部分MCI(頂部)的初始概念設(shè)計(jì)和修改錐度的新設(shè)計(jì)(底部),修改后力值提升22%,應(yīng)力減少23%
MCI(從左到右顯示)處在制造好的預(yù)加載全行程位置
最終,Rosenberger 工程師能在6 到8 個(gè)星期內(nèi)從機(jī)械和電氣角度優(yōu)化MCI 設(shè)計(jì)。相比于過(guò)去進(jìn)行一次設(shè)計(jì)迭代就需要3 個(gè)月,這能節(jié)約大量時(shí)間。LIGA 工藝帶來(lái)的設(shè)計(jì)自由度加上采用ANSYS 提供的多學(xué)科工具,使得Rosenberger 能夠快速設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足不同細(xì)分市場(chǎng)要求的產(chǎn)品。
該公司工程師正在考慮采用設(shè)計(jì)優(yōu)化工具自動(dòng)化迭代過(guò)程,以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì),從而探索更大的設(shè)計(jì)空間。
ANSYS HFSS 模型
S11 圖顯示的是MCI 的回波損耗
采用仿真技術(shù),Rosenberger 工程師能夠從機(jī)械和電氣角度優(yōu)化MCI 設(shè)計(jì)。
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