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今天的市場需求越來越苛刻。復(fù)雜的電子設(shè)備和(輔助)系統(tǒng)在飛機、火車、卡車、乘用車以及建筑基礎(chǔ)設(shè)施、制造設(shè)備、醫(yī)療系統(tǒng)等重要應(yīng)用領(lǐng)域為我們服務(wù)。高可靠性(產(chǎn)品在期望的生命周期內(nèi)滿足客戶環(huán)境中所有需求的能力)正變得越來越重要。大數(shù)據(jù)和人工智能正使人類更加依賴電子系統(tǒng)，并將使可靠性不足變得更加致命。在最近的DesignCon 2020上，我有機會了解了ANSYS是如何讓工程師設(shè)計出高可靠性的產(chǎn)品的。

ANSYS成長史

位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡附近的ANSYS公司成立于1970年，目前在有限元分析、計算流體動力學(xué)、電子、半導(dǎo)體、嵌入式軟件和設(shè)計優(yōu)化等領(lǐng)域擁有約4000名專家。ANSYS是著名的合作伙伴非常苛刻的客戶在空間和飛機應(yīng)用。之后通過收購其他EDA供應(yīng)商，ANSYS迅速發(fā)展。他們在2008年收購了Ansoft Corp.，在2011年并購Apache Design Solutions。隨后又在2019年ANSYS收購了業(yè)界唯一自動化設(shè)計可靠性分析軟件Sherlock開發(fā)商 DfR Solutions。ANSYS的綜合多物理場解決方案與Sherlock的精確可靠性分析相結(jié)合，將提供一個完整的設(shè)計師級套件，幫助客戶在設(shè)計周期的早期快速便捷分析電子故障，從而可在開發(fā)過程中為用戶節(jié)省時間和資金。獲得DfR電子可靠性解決方案，強化了他們對半導(dǎo)體封裝、PCBA模擬，以及能夠表征和生成庫以及分析和測試各種電子部件的能力。

FEA工具價值和精確的輸入(庫)

使用測試故障修復(fù)方法分析原型和/或預(yù)生產(chǎn)單元的可靠性是昂貴且耗時的，并且在產(chǎn)品生命周期的最后階段結(jié)果才會提供。ANSYS Sherlock有限元分析(FEA)使工程師能夠在設(shè)計周期的開始輕松評估硬件設(shè)計的可靠性。這也使設(shè)計師能夠在早期和跨大范圍的條件下權(quán)衡不同的架構(gòu)、幾何形狀和材料，以獲得最佳結(jié)果。

ANSYS在DesignCon 2020上進行可靠性展示

在一間擁擠的會議室里，ANSYS的首席應(yīng)用工程師Kelly Morgan展示了三個失效機制的案例，在這些例子中，Sherlock可以為我們帶來巨大價值。Sherlock和ANSYS利用物理失效原理預(yù)測硬件可靠性:1) Low-k(低介電常數(shù))介質(zhì)硅晶圓，2)焊點疲勞，3)微孔分離。除此之外還有其他信息要比下面提供的要多得多。

1) Low-k

低介電常數(shù)(k)的介電材料降低寄生電容，提高電路性能，降低功耗。然而，在回流或熱循環(huán)過程中，由于熱膨脹系數(shù)(CTE)的差異所產(chǎn)生的熱機械力，其較低的機械強度有時會導(dǎo)致電介質(zhì)出現(xiàn)裂紋。聲學(xué)檢查可以發(fā)現(xiàn)這些裂紋。如果低k材料在產(chǎn)品推出的最后階段被發(fā)現(xiàn)有裂紋，就要重新設(shè)計周期。相比之下，Sherlock和ANSYS允許IC設(shè)計師在項目開始時預(yù)測此類故障，并立即采取糾正措施，防止上述問題發(fā)生。

銅柱和模具之間的熱膨脹系數(shù)差異會導(dǎo)致壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，并影響相鄰晶體管的性能和可靠性

2) 焊點熱疲勞失效

許多集成電路傳統(tǒng)上使用不含鉛的焊點凸點作為與其它管芯、封裝、甚至印刷電路板(PCB)的連接。相鄰層中不同的熱膨脹系數(shù)和溫度會使材料產(chǎn)生不同的膨脹和收縮。這些熱機械力，振動、機械沖擊等，會對焊點造成應(yīng)變，并可能導(dǎo)致焊點和互連表面的裂紋。最近，銅柱變得流行起來，因為它們的焊點間距更小。然而，這些相互連接的剛性更強，根據(jù)施加的應(yīng)變，可能會更快地失效。Sherlock和ANSYS Mechanical的多物理功能允許用戶輕松準(zhǔn)確地預(yù)測這種互連的可靠性，如需要，還可以在設(shè)計周期的早期驅(qū)動進行更改。

Cross section of a solder joint and how different CTEs cause materials to shrink or expand
焊點的橫截面，以及不同的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致材料收縮或膨脹

3) 微通孔分離

隨著電子器件中的間距越來越小，微通孔技術(shù)在PCB中的應(yīng)用呈爆炸式增長。微孔堆疊多達三或四層高已經(jīng)變得非常普遍。然而，如果這些設(shè)計沒有使用正確的材料和幾何形狀，微孔可能會經(jīng)歷意想不到的開裂和分層。

熱-機械應(yīng)力、水分、振動和其他應(yīng)力會導(dǎo)致微孔的分離，以及與電鍍通孔(PTH)頂部或底部的銅跡線的分層。Sherlock分析這些問題區(qū)域，會考慮回流和/或操作過程中的超應(yīng)力條件，并可以預(yù)測疲勞何時會導(dǎo)致過孔或貫穿孔、通孔、路由層和凸點下金屬層(UBM)接點之間的互連故障。

Likely reliability risks in electronic products during manufacturing and operation
電子產(chǎn)品在制造和操作過程中可能存在的可靠性風(fēng)險

Sherlock設(shè)計流程整合

即使是像Sherlock這樣的最佳點工具，也需要集成到一個用戶友好的、高生產(chǎn)率的設(shè)計流中，以便在客戶的設(shè)計環(huán)境中提供其全部價值。只有使用上下游工具進行流暢的數(shù)據(jù)交換，工程師才能快速高效地利用Sherlock的多種能力。這種設(shè)計流集成最小化了腳本編制、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及容易出錯和耗時的手工干預(yù)。Sherlock與ANSYS的Icepak和ANSYS Mechanical相互作用，將這些工具組合成一個高生產(chǎn)率和非常可靠的設(shè)計流程，以達到越來越多的應(yīng)用需要的“零缺陷”的目標(biāo)。

延伸閱讀
Ansys Icepak

 

Ansys Icepak 提供強大的電子冷卻解決方案，利用業(yè)界領(lǐng)先的 Ansys Fluent 計算流體動力學(xué) (CFD) 求解器對集成電路 (IC)、封裝、印刷電路板 (PCB) 和電子組件進行熱力和流體流動分析。Ansys Icepak CFD 求解器使用 Ansys Electronics Desktop (AEDT) 圖形用戶界面 (GUI)。這為工程師們提供了一個以 CAD 為中心的解決方案，使他們可以利用易用的功能區(qū)界面來管理與 Ansys HFSS、Ansys Maxwell 和 Ansys Q3D Extractor 相同的統(tǒng)一框架內(nèi)的熱力問題。在此工作環(huán)境中的電氣和機械工程師可享受完全自動化的設(shè)計流程，能夠?qū)?HFSS、Maxwell 和 Q3D Extractor 無縫耦合到 Icepak 以進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱力分析。工程師可以依靠 Icepak 為從單個 IC 到封裝和 PCB 板再到計算機外殼和整個數(shù)據(jù)中心的各種電子應(yīng)用提供集成電子冷卻解決方案。Icepak 求解器執(zhí)行傳導(dǎo)、對流和輻射共軛傳熱分析。它具有許多先進的功能，能夠模擬層流和湍流以及多類型分析，包括輻射和對流。Icepak 提供了一個包含風(fēng)扇、散熱器和材料的巨型庫，可為日常電子冷卻問題提供解決方案。

Ansys與5G的對話

5G 連接是即將到來的一場技術(shù)革命。這個普適、超快的計算網(wǎng)絡(luò)將連接數(shù)十億數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)備。這將推動各行業(yè)的經(jīng)濟擴張，催生新的產(chǎn)品和服務(wù)，改變我們一貫所熟知的生活方式。然而，在 5G 完全實現(xiàn)承諾并達到其服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 指標(biāo)之前，無線系統(tǒng)設(shè)計師和工程師必須克服不小的挑戰(zhàn)。Ansys 5G 仿真解決方案讓這些相關(guān)人員能夠讓設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心設(shè)計的復(fù)雜性得以簡化。

Ansys 5G 仿真解決方案提供電磁、半導(dǎo)體、電子冷卻和結(jié)構(gòu)分析工具，以精確模擬 5G 無線電和相關(guān)技術(shù)。該多解決方案平臺利用可以在整個企業(yè)部署的高性能計算，讓設(shè)計師和工程專家之間的合作更加高效。其中，高級相控陣列天線是實現(xiàn)5G系統(tǒng)容量與性能的關(guān)鍵。為了優(yōu)化天線增益，確保目標(biāo)覆蓋率，大規(guī)模MIMO要求對相控陣列天線進行準(zhǔn)確的設(shè)計。這類大型相控陣列系統(tǒng)能同時產(chǎn)生多個點波束，每個點波束都匯聚在單個UE上或指向較小的地域范圍。為了跟蹤在覆蓋區(qū)域內(nèi)移動的用戶，點波束需要對波束動態(tài)進行定位。設(shè)計出能夠符合這些要求的相控陣列天線極富挑戰(zhàn)性。具有更多單個單元的較大型陣列使得更小的波束能指向更多UE。同時，較大型的陣列設(shè)計會增大射頻信號分配與安裝平臺的尺寸與復(fù)雜性，并增加了對用于通道接收器、數(shù)字化器和信號處理的更高電子密度的需求。5G天線陣列設(shè)計的性能考量因素眾多，其中包括波束控制、零控（降低環(huán)境中不需要的信號源的影響）、互耦和電磁干擾問題等。

ANSYS HFSS中的相控陣列設(shè)計流程。ANSYS HFSS是一種3D高頻電磁(EM)工具，可用于設(shè)計和仿真眾多的高頻(HF)電子產(chǎn)品，如天線、天線陣列、射頻和微波組件、諧振器、濾波器和其它HF電子組件等。HFSS中的相控陣列設(shè)計流程從單個單元原型開始，通過實驗設(shè)計(DoE)方法來優(yōu)化天線設(shè)計參數(shù)。然后，由單元合成全陣列，以便在ANSYS HFSS中對全陣列性能進行仿真優(yōu)化，接著使用混合ANSYS HFSS SBR+射線跟蹤求解器，為已安裝的天線及其與環(huán)境的相互作用進行建模仿真。