電子系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計像彈簧銷一樣出色

2016-11-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

Rosenberger采用機械和電氣仿真,為半導(dǎo)體測試提供了比傳統(tǒng)彈簧銷更出色的選擇。

半導(dǎo)體制造商采用自動化測試設(shè)備(ATE)在特定器件安裝到最終產(chǎn)品之前對器件性能進(jìn)行驗證。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)通常會測試所有或者至少大部分功能。ATE 系統(tǒng)通常會連接到處理器,處理器將待測半導(dǎo)體或者待測器件(DUT)放在接口測試適配器(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或彈簧針陣列實現(xiàn),這種陣列采用載有彈簧的高長寬比缸體,DUT 和插槽壓在一起就會在連接器上產(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以連接DUT 上的電子連接器產(chǎn)品將會變得越來越困難,特別是當(dāng)DUT 在未切割晶片上包含集成電路時尤為如此。不過彈簧銷或彈簧針不能采用傳統(tǒng)制造方法來大幅減小尺寸。Rosenberger High Frequency Technology 采用LIGA(基于德文光刻、電鍍和注塑的縮寫)工藝應(yīng)對這一大挑戰(zhàn),通過半導(dǎo)體制造方法準(zhǔn)確構(gòu)建復(fù)雜的微型機制比傳統(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,同時還具有數(shù)十種可改善機械和電氣性能的幾何特性。LIGA 工藝能幫助機械工程師自由地設(shè)計引腳,由于支持小體積的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),因此機械行為的實現(xiàn)不會影響電氣性能。

LIGA 工藝可分為兩種:X 射線和紫外線。就X 射線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。晶圓暴露于穿過掩膜的高能X 射線,掩膜上覆蓋吸收X 射線的材料,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)。晶圓通過鍍浴法進(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,從而實現(xiàn)部件與晶圓分離。最后將MCI 鍍金以提高導(dǎo)電性。

相對于X 射線LIGA 工藝的另一種設(shè)計方案采用紫外線(UV)光源而不是X 射線來接觸光刻膠。X 射線LIGA 工藝的精確度更高、長寬比更大,UV LIGA工藝的經(jīng)濟性則更好,因為它采用的是相對成本較低的紫外線光源。

電子系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計像彈簧銷一樣出色ansys分析案例圖片1

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)計挑戰(zhàn)

MCI 在機械和電氣方面面臨著極其艱巨的設(shè)計挑戰(zhàn)。從機械上來說,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次接觸,同時給接觸接口提供足夠的力支持,也就是最大化接觸的儲存應(yīng)變能功能來提高力支持(最大化通行距離上積累的力),從而確保每次接觸都能實現(xiàn)電氣連接。從電氣角度來看,我們的目標(biāo)是確保信號傳輸?shù)耐暾浴；ヂ?lián)通常要在測試進(jìn)程中以極高的頻率工作,這就加大了電氣設(shè)計挑戰(zhàn)。機械和電氣設(shè)計要求通常會彼此沖突。例如,互聯(lián)添加額外材料可改進(jìn)疲勞性能,但卻會成為輻射高頻信號的天線,向鄰近引腳或ATE 中的其它電路系統(tǒng)擴散。

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),一方面要讓開發(fā)的設(shè)計方案滿足客戶的高標(biāo)準(zhǔn)性能要求,另一方面又要滿足嚴(yán)格的開發(fā)時限要求。滿足單個產(chǎn)品的目標(biāo),往往需要幾十次迭代。Rosenberger 每年都要設(shè)計好幾十款新產(chǎn)品。構(gòu)建和測試原型產(chǎn)品需要兩三個月,其中大多數(shù)時間都花在了構(gòu)建掩膜這一復(fù)雜昂貴的工藝上面。采用構(gòu)建測試法評估數(shù)十次迭代所需的時間約為6 年,大大超出了新產(chǎn)品設(shè)計的正常時間安排(6 到8個星期)。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)計迭代,滿足客戶的機械和電氣性能要求,同時確保足夠的穩(wěn)健性,以應(yīng)對制造變化的要求。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,同時也有望在未來針對電氣和機械屬性自動優(yōu)化設(shè)計。

周期過程中部分MCI 接觸的應(yīng)力分配

機械和電氣仿真

采用AutoCad®、Ashlar Vellum ?軟件、SolidWorks® 或Pro/ENGINEER®等任意一款計算機輔助設(shè)計套件,均可將互聯(lián)作為2D 部件進(jìn)行設(shè)計。隨后可將其轉(zhuǎn)換為SolidWorks 3D 部件以設(shè)計包含多個互聯(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)項目。執(zhí)行大多數(shù)分析時是將分析類型設(shè)置為2D。機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實現(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)置重新運行。團隊隨后可以將偏轉(zhuǎn)形狀(以上確定)轉(zhuǎn)化為偏轉(zhuǎn)形狀的3D CAD 模型。對于非常簡單的模型來說,3D 模型可直接從Workbench 輸出。不過,對于較復(fù)雜的模型來說,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)客戶的應(yīng)用要求(例如上升時間、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。工程師重點關(guān)注S 參數(shù),其可描述給定端口上的信號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,通過讀取S 參數(shù)可生成時間域仿真,以評估數(shù)字通道的質(zhì)量。Rosenberger 團隊通常生成眼圖來提供即時可視數(shù)據(jù),讓工程師用以檢查設(shè)計的信號完整性。將相鄰信號路徑添加到仿真中,以評估串?dāng)_的可能性,并根據(jù)客戶規(guī)范檢查復(fù)合反應(yīng)。

電子系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計像彈簧銷一樣出色ansys培訓(xùn)的效果圖片5

較小部分MCI(頂部)的初始概念設(shè)計和修改錐度的新設(shè)計(底部),修改后力值提升22%,應(yīng)力減少23%

電子系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計像彈簧銷一樣出色ansys培訓(xùn)的效果圖片6

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 個星期內(nèi)從機械和電氣角度優(yōu)化MCI 設(shè)計。相比于過去進(jìn)行一次設(shè)計迭代就需要3 個月,這能節(jié)約大量時間。LIGA 工藝帶來的設(shè)計自由度加上采用ANSYS 提供的多學(xué)科工具,使得Rosenberger 能夠快速設(shè)計出滿足不同細(xì)分市場要求的產(chǎn)品。

該公司工程師正在考慮采用設(shè)計優(yōu)化工具自動化迭代過程,以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計,從而探索更大的設(shè)計空間。