【導(dǎo)讀】QFN是一種焊盤尺寸小、封裝體積小、以塑封材料組成的表面貼裝芯片封裝技術(shù)。由于其底部中央的一大塊裸露焊盤被焊接到PCB的散熱焊盤上，使得QFN具有極佳的電熱性能。另外，在中央焊盤的封裝外圍有實(shí)現(xiàn)電氣連接的導(dǎo)電焊盤，這種封裝特別適合任何一個(gè)對(duì)尺寸、成本和性能都有要求的應(yīng)用場(chǎng)景，從而被市場(chǎng)上廣泛使用。隨著目前5G應(yīng)用的頻率逐漸升高，QFN封裝中Wirebond結(jié)構(gòu)對(duì)電路性能的影響也越來越明顯，因此需要借助電磁場(chǎng)仿真技術(shù)提前對(duì)QFN封裝的電性能進(jìn)行預(yù)判。
本文介紹了眾多5G基站、移動(dòng)終端公司正在采用的QFN封裝仿真流程，涉及到芯和半導(dǎo)體的Hermes 3D工具。Hermes 3D非常擅長(zhǎng)對(duì)芯片封裝和PCB進(jìn)行信號(hào)完整性分析，評(píng)估信號(hào)通路中阻抗不連續(xù)性結(jié)構(gòu)對(duì)通道中信號(hào)完整性帶來的影響，它支持市面上所有封裝和PCB設(shè)計(jì)文件格式的導(dǎo)入，并利用接近業(yè)界黃金標(biāo)準(zhǔn)的FEM3D求解器實(shí)現(xiàn)S參數(shù)的快速提取和分析，其高效的建模流程和精準(zhǔn)的仿真引擎能極大地提高工程師評(píng)估封裝性能指標(biāo)優(yōu)化的效率。
QFN封裝三維建模和仿真流程
1 模型導(dǎo)入
打開Hermes 3D，在Modeling>Design中選擇Lead Frame。導(dǎo)入dxf的設(shè)計(jì)格式文件后進(jìn)入到Lead Frame配置界面，如圖1所示。
圖1 Lead Frame 配置界面
2 Cross Section設(shè)置
在Lead Frame界面中點(diǎn)擊Cross section圖標(biāo)，可以進(jìn)入到Cross section設(shè)置界面。在此設(shè)置頁面中可以依次對(duì)Mold、Die、Lead Frame以及Wirebond結(jié)構(gòu)設(shè)定厚度材料等信息，如圖2所示。
圖2 Cross Section 設(shè)置
3 建立各層對(duì)應(yīng)關(guān)系
在Cross Section Name欄完成和DXF設(shè)計(jì)文件中Layer Name的對(duì)應(yīng)層關(guān)系，選擇對(duì)應(yīng)的Lead Frame結(jié)構(gòu)名稱，就可以完成DXF中各個(gè)元素的建模。在圖3中，從右下角生成的3D結(jié)構(gòu)示意圖可以檢查生成的模型是否準(zhǔn)確無誤。
圖3 完成QFN封裝3維建模
4 添加 Port
Hermes3D支持用戶添加多種類型的port，例如在芯片端添加Annular port；在引線框架上添加lumped port。在右側(cè)nets列表中選擇要仿真的網(wǎng)絡(luò)，右鍵選擇Add Port，彈出Generate Ports窗口，可以在芯片端選擇添加Annular port類型，如圖4所示。用edge選擇模式，在引線框架上選擇要?jiǎng)?chuàng)建的信號(hào)和參考地的邊，點(diǎn)擊右鍵，選擇Port->Add Edge Lumped Port；添加好的lumped port如圖5中綠色的平面所示。
圖4 添加Annular port
圖5 添加Lumped port
5 添加 FEM3D 仿真設(shè)置
在工程樹形菜單Analysis中右鍵選擇Add FEM3D Analysis，點(diǎn)擊Solver Option，可按照如下方式進(jìn)行求解掃頻設(shè)置，如圖6所示。
圖6 仿真設(shè)置
6 查看仿真結(jié)果
待仿真結(jié)束之后，結(jié)果以樹型結(jié)構(gòu)的形式呈現(xiàn)在工程樹Results菜單下方，并且可以使用SnpExpert工具打開仿真結(jié)果，進(jìn)行查看，如圖7所示。
圖7 查看仿真結(jié)果
總結(jié)
由于產(chǎn)品小型化的要求，后摩爾時(shí)代，越來越多的芯片企業(yè)開始重視封裝形式的研發(fā)。本文介紹眾多5G基站、移動(dòng)終端企業(yè)所采用的QFN封裝仿真流程，涉及到芯和半導(dǎo)體的Hermes3D軟件。Hermes3D專注于評(píng)估在IC和封裝以及PCB的互連中的寄生帶來的相互作用，其高效的建模流程和精準(zhǔn)的仿真引擎能極大地提高工程師評(píng)估封裝性能指標(biāo)優(yōu)化的效率。
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