电子系统的鲁棒性设计像弹簧销一样出色

2016-11-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

Rosenberger采用机械和电气仿真,为半导体测试提供了比传统弹簧销更出色的选择。

半导体制造商采用自动化测试设备(ATE)在特定器件安装到最终产品之前对器件性能进行验证。今天的半导体非常复杂,需要执行许多功能,而ATE 系统通常会测试所有或者至少大部分功能。ATE 系统通常会连接到处理器,处理器将待测半导体或者待测器件(DUT)放在接口测试适配器(ITA)上,ITA 上的插槽与DUT 上的连接器之间采用电气连接。DUT 和ATE 间许多所需的连接通常用弹簧销或弹簧针阵列实现,这种阵列采用载有弹簧的高长宽比缸体,DUT 和插槽压在一起就会在连接器上产生力。

随着晶体管以及半导体技术的不断小型化,找到空间安放所有所需的弹簧销以连接DUT 上的电子连接器产品将会变得越来越困难,特别是当DUT 在未切割晶片上包含集成电路时尤为如此。不过弹簧销或弹簧针不能采用传统制造方法来大幅减小尺寸。Rosenberger High Frequency Technology 采用LIGA(基于德文光刻、电镀和注塑的缩写)工艺应对这一大挑战,通过半导体制造方法准确构建复杂的微型机制比传统方法生产的最小互联还要小很多。采用LIGA 工艺制造的单片兼容型互联(MCI)尺寸可减至10μm 宽,同时还具有数十种可改善机械和电气性能的几何特性。LIGA 工艺能帮助机械工程师自由地设计引脚,由于支持小体积的复杂几何结构,因此机械行为的实现不会影响电气性能。

LIGA 工艺可分为两种:X 射线和紫外线。就X 射线LIGA工艺而言,可将导体籽晶层应用于硅晶圆,然后用旋涂法加上光阻层。晶圆暴露于穿过掩膜的高能X 射线,掩膜上覆盖吸收X 射线的材料,并且与要制造的引脚的横截面几何形状相反。将光刻胶固化和凭借化学方式除去非暴露光刻胶都会在晶圆表面留下腔体图案,以匹配晶圆上待构建的MCI 几何结构。晶圆通过镀浴法进行电镀。向晶圆施加负电荷可以吸收金属离子填充腔体。光刻胶采用等离子蚀刻工艺除去,导体籽晶层以化学方式除去,从而实现部件与晶圆分离。最后将MCI 镀金以提高导电性。

相对于X 射线LIGA 工艺的另一种设计方案采用紫外线(UV)光源而不是X 射线来接触光刻胶。X 射线LIGA 工艺的精确度更高、长宽比更大,UV LIGA工艺的经济性则更好,因为它采用的是相对成本较低的紫外线光源。

从晶圆除去之后但在与各组件分离之前的MCI和相关组件

硬币上叠加的MCI

艰巨的设计挑战

MCI 在机械和电气方面面临着极其艰巨的设计挑战。从机械上来说,我们的目标是最大限度地减小器件应力,确保器件能支持成千上万次接触,同时给接触接口提供足够的力支持,也就是最大化接触的储存应变能功能来提高力支持(最大化通行距离上积累的力),从而确保每次接触都能实现电气连接。从电气角度来看,我们的目标是确保信号传输的完整性。互联通常要在测试进程中以极高的频率工作,这就加大了电气设计挑战。机械和电气设计要求通常会彼此冲突。例如,互联添加额外材料可改进疲劳性能,但却会成为辐射高频信号的天线,向邻近引脚或ATE 中的其它电路系统扩散。

Rosenberger 是高频和光纤技术领域连接器解决方案的全球领先制造商。公司工程师面临着双重挑战,一方面要让开发的设计方案满足客户的高标准性能要求,另一方面又要满足严格的开发时限要求。满足单个产品的目标,往往需要几十次迭代。Rosenberger 每年都要设计好几十款新产品。构建和测试原型产品需要两三个月,其中大多数时间都花在了构建掩膜这一复杂昂贵的工艺上面。采用构建测试法评估数十次迭代所需的时间约为6 年,大大超出了新产品设计的正常时间安排(6 到8个星期)。因此,Rosenberger 采用ANSYS Mechanical 和 ANSYS HFSS 仿真工具在ANSYS Workbench 环境中进行设计迭代,满足客户的机械和电气性能要求,同时确保足够的稳健性,以应对制造变化的要求。由于能在统一环境中执行完整的仿真进程,这就降低了许可、培训和管理成本,同时也有望在未来针对电气和机械属性自动优化设计。

周期过程中部分MCI 接触的应力分配

机械和电气仿真

采用AutoCad®、Ashlar Vellum ™软件、SolidWorks® 或Pro/ENGINEER®等任意一款计算机辅助设计套件,均可将互联作为2D 部件进行设计。随后可将其转换为SolidWorks 3D 部件以设计包含多个互联及其相关部件的装配体,如连接器块和印刷电路板(PCB)安装硬件等。接触的几何结构配置已发展到需要进行FEA 分析,这时工程师应导入SolidWorks 模型到ANSYS Workbench并定义静态结构项目。执行大多数分析时是将分析类型设置为2D。机械工程师修改几何结构,生成刚好足够的压力在器件被压缩时实现电接触,从而最大限度地减少部件应力。最终配置采用3D 模型和3D 分析设置重新运行。团队随后可以将偏转形状(以上确定)转化为偏转形状的3D CAD 模型。对于非常简单的模型来说,3D 模型可直接从Workbench 输出。不过,对于较复杂的模型来说,偏转几何结构要导出为矢量图形文件。这份文件可用来创建载入/偏转部件的SolidWorks 模型。

偏转形状的3D 模型随后可载入HFSS 进行电气/ 电磁仿真。在HFSS中,根据客户的应用要求(例如上升时间、带宽或者串扰),工程师通常先进行从DC 到适当上频率的扫频。工程师重点关注S 参数,其可描述给定端口上的信号是如何散射并在其它端口退出,包括反射到相同端口、传输到连接端口并耦合到其它端口。典型的目标是S11 回波损耗为–15dB 而S21 性能为–1dB。HFSS 输出通常导出到ANSYS Designer电路仿真器,通过读取S 参数可生成时间域仿真,以评估数字通道的质量。Rosenberger 团队通常生成眼图来提供即时可视数据,让工程师用以检查设计的信号完整性。将相邻信号路径添加到仿真中,以评估串扰的可能性,并根据客户规范检查复合反应。