電子系統的魯棒性設計像彈簧銷一樣出色

2016-11-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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

半導體制造商采用自動化測試設備(ATE)在特定器件安裝到最終產品之前對器件性能進行驗證。今天的半導體非常復雜,需要執行許多功能,而ATE 系統通常會測試所有或者至少大部分功能。ATE 系統通常會連接到處理器,處理器將待測半導體或者待測器件(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,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生力。

隨著晶體管以及半導體技術的不斷小型化,找到空間安放所有所需的彈簧銷以連接DUT 上的電子連接器產品將會變得越來越困難,特別是當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)工藝應對這一大挑戰,通過半導體制造方法準確構建復雜的微型機制比傳統方法生產的最小互聯還要小很多。采用LIGA 工藝制造的單片兼容型互聯(MCI)尺寸可減至10μm 寬,同時還具有數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計引腳,由于支持小體積的復雜幾何結構,因此機械行為的實現不會影響電氣性能。

LIGA 工藝可分為兩種:X 射線和紫外線。就X 射線LIGA工藝而言,可將導體籽晶層應用于硅晶圓,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,以匹配晶圓上待構建的MCI 幾何結構。晶圓通過鍍浴法進行電鍍。向晶圓施加負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,導體籽晶層以化學方式除去,從而實現部件與晶圓分離。最后將MCI 鍍金以提高導電性。

相對于X 射線LIGA 工藝的另一種設計方案采用紫外線(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工藝的經濟性則更好,因為它采用的是相對成本較低的紫外線光源。

從晶圓除去之后但在與各組件分離之前的MCI和相關組件

硬幣上疊加的MCI

艱巨的設計挑戰

MCI 在機械和電氣方面面臨著極其艱巨的設計挑戰。從機械上來說,我們的目標是最大限度地減小器件應力,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電氣連接。從電氣角度來看,我們的目標是確保信號傳輸的完整性。互聯通常要在測試進程中以極高的頻率工作,這就加大了電氣設計挑戰。機械和電氣設計要求通常會彼此沖突。例如,互聯添加額外材料可改進疲勞性能,但卻會成為輻射高頻信號的天線,向鄰近引腳或ATE 中的其它電路系統擴散。

Rosenberger 是高頻和光纖技術領域連接器解決方案的全球領先制造商。公司工程師面臨著雙重挑戰,一方面要讓開發的設計方案滿足客戶的高標準性能要求,另一方面又要滿足嚴格的開發時限要求。滿足單個產品的目標,往往需要幾十次迭代。Rosenberger 每年都要設計好幾十款新產品。構建和測試原型產品需要兩三個月,其中大多數時間都花在了構建掩膜這一復雜昂貴的工藝上面。采用構建測試法評估數十次迭代所需的時間約為6 年,大大超出了新產品設計的正常時間安排(6 到8個星期)。因此,Rosenberger 采用ANSYS Mechanical 和 ANSYS HFSS 仿真工具在ANSYS Workbench 環境中進行設計迭代,滿足客戶的機械和電氣性能要求,同時確保足夠的穩健性,以應對制造變化的要求。由于能在統一環境中執行完整的仿真進程,這就降低了許可、培訓和管理成本,同時也有望在未來針對電氣和機械屬性自動優化設計。

周期過程中部分MCI 接觸的應力分配

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計套件,均可將互聯作為2D 部件進行設計。隨后可將其轉換為SolidWorks 3D 部件以設計包含多個互聯及其相關部件的裝配體,如連接器塊和印刷電路板(PCB)安裝硬件等。接觸的幾何結構配置已發展到需要進行FEA 分析,這時工程師應導入SolidWorks 模型到ANSYS Workbench并定義靜態結構項目。執行大多數分析時是將分析類型設置為2D。機械工程師修改幾何結構,生成剛好足夠的壓力在器件被壓縮時實現電接觸,從而最大限度地減少部件應力。最終配置采用3D 模型和3D 分析設置重新運行。團隊隨后可以將偏轉形狀(以上確定)轉化為偏轉形狀的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,對于較復雜的模型來說,偏轉幾何結構要導出為矢量圖形文件。這份文件可用來創建載入/偏轉部件的SolidWorks 模型。

偏轉形狀的3D 模型隨后可載入HFSS 進行電氣/ 電磁仿真。在HFSS中,根據客戶的應用要求(例如上升時間、帶寬或者串擾),工程師通常先進行從DC 到適當上頻率的掃頻。工程師重點關注S 參數,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、傳輸到連接端口并耦合到其它端口。典型的目標是S11 回波損耗為–15dB 而S21 性能為–1dB。HFSS 輸出通常導出到ANSYS Designer電路仿真器,通過讀取S 參數可生成時間域仿真,以評估數字通道的質量。Rosenberger 團隊通常生成眼圖來提供即時可視數據,讓工程師用以檢查設計的信號完整性。將相鄰信號路徑添加到仿真中,以評估串擾的可能性,并根據客戶規范檢查復合反應。