
CAEソフト【 Femtet 】-ムラタソフトウェア株式会社
IC実装工程を模擬した応力解析例題10 IC実装工程の多段階熱荷重解析をアレンジして、
時刻を設定した解析を行い、IC実装工程後にICを稼働したときの温度分布を用いた応力解析を行った例を示します。
時刻を設定することにより、はんだの弾塑性/クリープを考慮することができます。
ステップ設定「多段階熱荷重+熱連成ステップ」とすることにより、熱伝導解析により求めたIC稼働後の温度における
応力分布を計算します。
各到達温度における変形の状態や変位分布、応力分布を解析結果として見ることができます。
表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。
項目 |
条件 |
解析空間 |
2次元 |
モデル単位 |
mm |
本例題では簡易的な2次元解析モデルを扱います。
熱荷重の解析オプションを選択します。
項目 |
条件 |
ソルバ |
熱伝導解析[Watt] |
熱伝導解析(Watt)の種類 |
過渡解析 |
本例題では以下のような工程を想定します。
ステップ1.基板とIC間をはんだ付け(220度)したあと常温(25度)まで落とす。
ステップ2.常温(25度)から120度まで温度を上げる。
ステップ3.120度でアンダーフィルを塗布して硬化させたあと常温(25度)まで落とす。
ステップ4.ICを稼働し、IC部を発熱させる。
ステップ3までは、応力解析の多段階熱荷重解析の機能を使用し、
ステップ4は熱伝導解析の過渡解析と応力解析の連成解析機能を使用します。
熱荷重タブの設定を以下のように行っています。
タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
熱荷重 |
基準温度 |
220[deg] |
設定 |
チェック |
220度を基準温度(無応力温度)と設定しています。到達温度は次のステップ解析タブにて設定しています。
ステップ/熱荷重解析タブの設定を以下のように行っています。
タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
|||||||||||||||
ステップ/熱荷重 |
ステップ設定 |
多段階熱荷重+熱連成ステップ |
|||||||||||||||
時刻設定 |
設定する※ |
||||||||||||||||
基準温度 |
220[deg] |
||||||||||||||||
ステップ/到達温度設定 |
|
||||||||||||||||
複数ステップ解析オプション |
分割ステップの結果を出力する:チェックオフ |
※過渡解析との連成の場合自動的に「設定する」になります。
※熱連成ステップの設定は過渡解析タブで設定します。
過渡解析タブの設定を以下のように行っています。
通常、熱伝導解析の過渡解析では初期温度を設定しますが、初期温度は、ステップ解析の最終ステップの到達温度である
25[deg]が使用されます。
タブ設定 |
設定内容 |
過渡解析 |
ステップ数:5 |
後述しますが、ステップ3以降にアンダーフィルを解析対象とするための設定をボディ属性の解析領域タブにて行っています。
ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
0/Sheet |
PCB |
GLASS_EPOXY |
1/Sheet |
BGA |
EPOXY |
3/Sheet |
SB |
107_鉛フリーはんだ_SnAgCu※ |
4/Sheet |
SB |
107_鉛フリーはんだ_SnAgCu※ |
5/Sheet |
SB |
107_鉛フリーはんだ_SnAgCu※ |
6/Sheet |
SB |
107_鉛フリーはんだ_SnAgCu※ |
11/Sheet |
UF |
UNDER_FILL |
12/Sheet |
UF |
UNDER_FILL |
13/Sheet |
UF |
UNDER_FILL |
14/Sheet |
UF |
UNDER_FILL |
15/Sheet |
UF |
UNDER_FILL |
17/Sheet |
HEAT_SOURCE |
GLASS_EPOXY |
18/Sheet |
BGA |
GLASS_EPOXY |
※材料データベースを利用
材料定数は以下のように設定しています。
材料名 |
タブ |
定数 |
|||||
GLASS_EPOXY |
弾性定数 |
ヤング率: 28×109[Pa] ポアソン比: 0.3
|
|||||
線膨張係数 |
異方性: 異方をチェック 線膨張係数ベクトル:
|
||||||
熱伝導率 |
0.45 [W/m/deg] |
||||||
密度 |
1.44 x 103 [kg/m3] |
||||||
比熱 |
950 [J/kg/deg] |
||||||
EPOXY |
弾性定数 |
ヤング率: 19×109[Pa] ポアソン比: 0.3 |
|||||
線膨張係数 |
11×10-6[1/deg] |
||||||
熱伝導率 |
0.15 [W/m/deg] |
||||||
密度 |
1.1 x 103 [kg/m3] |
||||||
比熱 |
1.05 x 103 [J/kg/deg] |
||||||
UNDER_FILL |
弾性定数 |
ヤング率: 3.5×109[Pa] ポアソン比: 0.3 |
|||||
線膨張係数 |
90×10-6[1/deg] |
||||||
熱伝導率 |
0.15 |
||||||
密度 |
1.1 x 103 [kg/m3] |
||||||
比熱 |
1.05 x 103 [J/kg/deg] |
UFはステップ3以降に有効にするため解析領域タブにて以下のように設定しています。
熱伝導解析との連成が行われるステップ3以降は、ステップ3の状態が反映されます。
IC稼働時に発熱する箇所として、HEAT_SOURCEには発熱量タブにて以下のように設定しています。
ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
UF |
解析領域 |
バース/デス設定: ステップ1:× |
HEAT_SOURCE |
発熱量 |
5 x 10-4 [W] |
外部境界条件(モデルの周囲)に自然対流(係数自動計算)を設定しています。
境界条件名/トポロジ |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
外部境界条件 |
熱 |
放熱・環境輻射 |
自然対流(係数自動計算) 室温: 25[deg] |
※自然対流の係数は自動的に算出されます。詳細は「放熱・環境輻射」を参照してください。
熱伝導解析の100s後の温度分布を示します。
HEAT_SOURCE部を中心に温度が上昇しているのが分かります。
応力解析のステップ毎のミーゼスの相当応力分布を示します。
応力のスケールは、最小値:0[MPa]、最大値:30[MPa]としています。
ステップ1:220℃⇒25℃:100s
ステップ2:25℃⇒120℃:200s
ステップ3:120℃⇒25℃:300s
ステップ4:25℃⇒熱伝導100s後結果:400s
まずはFemtetを試してみたい
試用版・無償版はこちらもっとFemtetについて詳しく知りたい
イベント・セミナー情報はこちら