孟 超，张志耀，田 芳，韦 杰，温 岩

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024）

引言

倒装焊技术是指IC 芯片面朝下，与封装外壳或布线基板直接互联的一种技术。倒装芯片焊接（FCB）技术键合引线短，凸点直接与印刷线路板或其他基板焊接，引线电感小，信号间串扰小，信号传输延时短，电性能好,是互连中延时最短、寄生效应最小的一种互连方法[1]。

随着科技的发展，芯片的尺寸规格在不断增大。为了实现芯片与基板的可靠互联，在倒装焊接的过程中就需要有更大的压力。对于大规格尺寸的芯片，传统的工艺已不能满足使用需求。为了解决这一问题，厂家采用“倒装对位预焊+高精度、高量程压力互联”的工艺方案，即采用常规倒装焊进行裸芯片与基板的对位预焊，然后再采用高精度、高量程压力完成互联。

1 加压机构三维模型的建立

对于有些大规格的芯片，有时要提供高达10 t 的压力。由于压力较大，对高精度、高量程压力机构的要求就会提高，比如变形要小、结构紧凑、精度高等。为了使机构设计合理，采用SolidWorks 软件对其进行建模，进行有限元分析。加压机构设计为三梁四柱结构，具有一定的刚度和易于调整等优点，由上横梁、活动横梁、下横梁、电动缸、立板支柱、导向装置、上压板和提升气缸部件等组成。考虑到后续有限元模型网格划分及结果分析的便利，对加压机构做了一定的简化，如图1 所示。

图1 加压机构简化三维模型图

2 加压机构有限元模型的建立

将简化后的三维模型导入ANSYS 软件中，按表1 的参数为零件添加材料属性。

表1 材料性能参数

由于加压机构的结构复杂，故选用四面体单元进行划分。网格划分是有限元分析中关键的一个步骤，划分的好坏会影响后期计算的速度和精度。网格划分细致，会使结果更加精确，但是会增加CPU 的计算时间和更大的存储空间。理想的网格划分是当网格细化后，计算结果没有明显的改变。但是，如果加载及约束等与实际有所不符时，即使细化网格，计算的结果也是错误的。

加载情况是有限元分析的前提，必须明确零件工作时的最大承受载荷，才能精确计算零件的静态刚、强度[2]。如果把加压机构受到的力都加以考虑，并用有限元分析会导致模型复杂，增加计算时间。在加载时，主要考虑自身重力、加载的10 t 压力。

边界条件包括部件的约束条件、刚性位移等因素，要根据实际工作状态进行仔细分析。根据实际的情况，对下横梁的L 型面、上横梁与轴配合的面进行约束。

3 计算结果及分析

3.1 静力分析

经过计算,加压机构体受载后的等效应力计算结果如下页图2 所示,可以看出加压机构的应力最大值为28.7 MPa，发生在上横梁与导向轴接触部分,大部分在3.19 MPa 以下。铸造碳钢的屈服强度约为200 MPa，完全满足强度要求。加压机构还可以进行合理的结构优化，减轻重量。下页图3 显示了加压机构受载后的总变形云图，结构总变形最大值约为0.020 4 mm,最大变形位于上横梁与电缸连接处、下横梁处，结构的总变形较小,能满足在10 t 压力加载下，产品具有较高的合格率。

图2 节点等效应力图

图3 节点总变形云图

3.2 模态分析

模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型[3]。通过ANSYS 软件进行加压机构的模态分析,对加压机构的有限元模型施加约束并且只考虑重力的影响，确定结构的固有频率以及振型。图4、图5 显示了1、2 阶变形云图。1～6 阶固有频率和振型结果，如表2 所示,加压机构模型的频率比较均匀，动态性能较好，高阶频率下有较强的抗弯能力。

表2 大压力键合设备加压机构前6 阶模态

图4 加压机构1 阶变形云图

图5 加压机构2 阶变形云图

3.3 拓扑优化

拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计[4]。经ANSYS 软件的静力分析可以得出，加压机构有较好的强度，可以满足使用，故可以对其采用拓扑优化。在Shape Finder 模块中,保证所研究对象的总体结构不变，使体积最小化，尽可能地寻找对整体结构强度不产生负面影响的可去除面积[5]。

本文拟定缩减的目标为原质量的15%。优化后的结果如图6 所示，用黑色线圈住部分为加压机构的可去除部分，用白线圈住部分代表边缘部分。可根据拓扑优化的结果对加压机构进行进一步的改进。

图6 拓扑优化结果示意图

4 结语

通过SolidWorks 软件建立了高精度、高量程加压机构的实体模型,并应用ANSYS 软件对其进行了静态设计，通过计算结果得知，加压机构的刚、强度较好，可以满足使用，并可以进行优化设计。模态分析表明，加压机构的相邻阶次的固有频率差别较小，动态性能较好。通过拓扑优化，以减轻总质量的15%为目标，可以得到结构的可优化部分，为后续的设计提供方向和参考。