Altair HyperMesh 芯片封裝六面體網格劃分流程

2022.11.30

Altair HyperMesh 芯片封裝六面體網格劃分流程

Altair 可為電子行業的領導者提供電子設計自動化 (EDA) 軟體，幫助他們高效驗證和評估產品設計。

Altair 能助您顯著改善從設計到製造的整個流程，減少設計迭代，大幅縮短產品上市時間。對於印刷電路板 (PCB) 設計、嵌入式系統開發和智能產品實現，我們能夠提供相關工具，來應對產品性能及複雜性不斷提升所帶來的挑戰。

主要內容介紹

芯片封裝結構一般通過焊球連接芯片板和 PCB 板，如圖1 所示。

圖1 芯片封裝結構

芯片封閉結構六面體網格劃分可分為三步：幾何清理，焊球網格劃分，焊球和芯片板/ PCB 板網格共節點，主要步驟如圖2 所示。難點在於第二步，焊球網格劃分。

圖2 : 芯片封裝結構六面體網格劃分流程

對於複雜的芯片封裝結構，網格劃分工作全部在 HyperMesh 中完成；相對簡單的焊球結構，可直接使用 SimLab 自動生成六面體網格。

注意

本文基於 HyperMesh 2022 新界面和 SimLab 2022。HyperMesh 新界面中，若找不到對應工具，可按 Ctrl+F，在右上角輸入工具名稱，Enter 進行搜索。

幾何處理

幾何處理主要分為三部分：幾何分組，布爾操作和實體切割。

創建芯片封裝結構幾何體時，焊球、芯片、PCB 板、銅板、填充體等部件都是分開創建，幾何上不存在連接關係，創建好單個焊球幾何體後，陣列可得到所有的焊球。

一般來說，每個幾何體單獨分配一個 component，若將相同結構保存到同一個 component 中，可以極大減少 component 數量。

分組完成後，複製一組焊球、芯片、銅板以及填充體，保存到一個新的 component 中，方便後續操作。分組使用 Assembly 面板下的 Organize 工具。

圖3 幾何分組

圖4 分組工具

完成幾何分組後，通過布爾操作將焊球、芯片、銅板、填充體以及PCB 板進行連接。在 HyperMesh 中的 Topology 顯示模式下，連接面顯示為黃色，則表示存在幾何拓樸連接關係。布爾操作工具如圖6 所示。

圖5 布爾操作

圖6 布爾操作工具

完成布爾操作後，為了方便進行六面體網格劃分，需要對焊球結構進行切割，若在 Mapple 顯示模式下顯示為全透明狀態，即表示 HyperMesh 可以自動生成六面體網格，手動劃分六面體網格也更方便，網格質量更好。至此幾何操作完成。切割工具如圖 8 所示。

圖7 Mapple顯示

圖8 切割工具

焊球網格劃分

在不考慮銅線、電容電阻等結構時，芯片和 PCB 板可直接簡化為平板，其網格劃分非常簡單，因此封裝結構網格劃分的主要工作集中在焊球上。

焊球結構豐富多樣，最簡單的焊球結構如圖 9 所示，對應的封裝結構如圖 10 所示。該類型焊球結構簡單，直接在上表面劃分出面網格，然後沿著球面掃略即可得到整個焊球的六面體網格。

圖9 簡單焊球

SimLab 自動生成焊球網格

SimLab 中 Advanced > Electronics > BGA 工具可基於模板生成三種焊球，分別為不帶銅板，外置銅板以及內嵌銅板結構，其截面形狀如圖10 - 圖12 所示。

圖10 封裝結構- 不帶銅板圖11 封裝結構- 外置銅板圖12 封裝結構- 內嵌銅板

BGA 工具面板中可設置焊球類型，焊球、芯片板/ PCB 板尺寸，如圖13 所示。

圖13 BGA工具

實際芯片封裝結構中，焊球數量可達到數百個，其排布方式多為正交排布、Z 字形排布。BGA 工具支持正交排布和 Z 字形排布兩種常見排布方式。

對於不規則排布形式可通過 BGA 工具> Pattern > CSV File 進行設置。CSV 文件中指定焊球球心坐標，可快速生成不規則排布的焊球，CSV 文件格式如圖 16 所示。

圖16 CSV文件指定焊球中心點坐標

若已創建出不規則排布的焊球幾何體，將其導入 SimLab，然後打開 BGA 工具> Pattern > Spherical bodies，選中焊球，設置好焊球類型後，SimLab 會在焊球幾何位置自動生成焊球網格。

在 SimLab 中生成的焊球可以導出為求解器文件，如 OptiStruct 的 fem 文件，再導入 HyperMesh，與 PCB 板/ 芯片板進行共節點操作。

HyperMesh 手動劃分焊球網格

六面體網格劃分過程中需用到以下工具：automesh 和 solid map。automesh 工具路徑：2D > automesh，或者直接按快捷鍵 F12。solid map 工具路徑為：3D > solid map。

下面以圖 18 所示半個焊球為例展示六面體網格劃分方法。使用 solid map > general 工具，elems to drag 欄選擇紅色網格，dest geom 欄選擇底部黃色面，along geom 欄選擇側面的兩個灰色的半球面，along parameters 欄切換為 density，設置參數為 3，即沿拉伸方向生成 3 層網格，設置參數見圖 18，點擊 mesh 即可得到如圖 19 所示的半球六面體網格。