摘要
封装为微系统器件提供关键的保护和接口。但是，封装过程中引入的应力可能会降低器件性能和可靠性。
本文综述了Whoscored中文官网MEMS Studio集成广泛受到验证的Open Engineering的OOFELIE软件在分析微系统复杂封装效应方面的仿真能力。OOFELIE通过将多物理场耦合仿真与集成的计算机辅助工程（CAE）环境相结合，实现了高效的设计工作流程。
本文概述了OOFELIE在热学、力学和电磁条件下，对晶圆级封装、硅通孔（TSV）和TO壳体的建模。OOFELIE能够处理复杂几何形状、材料、制造工艺和操作环境，为可靠的封装设计提供洞察。文中列出了各种应用案例。
导言
微系统封装具有多重作用，包括保护脆弱组件免受环境损坏，实现处理和集成，提供电气和热互连等。然而，封装也可能通过意外的负载效应对器件性能和可靠性产生负面影响。封装工艺和工作条件导致的应力会随时间降低功能。常见故障模式包括折断、疲劳、分层、泄漏和参数漂移。随着微系统复杂性和功能的提高，与封装相关的故障风险也在增加。
因此，设计可靠的封装方案必须依赖建模和仿真。这可以通过虚拟原型设计定量分析封装负载效应，并指导设计提高可靠性。仿真也可以减少高昂的物理测试和修改依赖。多物理场分析通过捕捉封装、器件和环境之间的复杂相互作用，提供全面的视角。本文综述了OOFELIE软件在微系统封装的多物理场建模功能。OOFELIE通过将各种物理场求解器与集成的CAE环境相耦合，高效地分析封装器件的相互作用。
封装类型
OOFELIE可以分析各种常见的微系统封装方式，概述如下:
晶圆级封装：晶圆级封装是在切割之前在晶圆级完成组件的封装。这种方法提供了低成本和小型化，但需要建模残余应力。如图1所示，OOFELIE可以仿真晶圆键合、底部填充固化动力学、热膨胀系数失配等效应，定量计算晶圆级封装的应力。
硅通孔（TSV）：硅通孔（TSV）实现了通过硅晶圆的垂直互连[6]。如图2所示，OOFELIE将电学、热学和力学仿真相耦合，分析TSV结构中的电流密度、焦耳加热和诱导应力。多物理场方法考虑了电热机械相互作用。
陶瓷和金属壳：陶瓷和金属封装广泛用于传感器、振荡器、滤波器等器件。如图3所示，OOFELIE可以对盖封工艺、内部吸气剂、压力载荷以及温度梯度和机械应力进行建模。也可以描述流体结构相互作用。
定制和嵌入式封装：除了标准封装，OOFELIE还可以分析定制和嵌入式封装设计。拟合网格和多材料特性适合处理复杂的封装几何形状和材料，包括塑料、涂层、环氧树脂等。可以评估工艺引起的应力和工作载荷。
仿真功能
OOFELIE集成了广泛的封装分析所需的建模功能，包括:
多物理场耦合 - 电学、热学、力学、流体效应
先进材料 - 各向异性、塑性、粘弹性、蠕变等
MEMS特定物理 - 热敏电阻、静电学等
制造工艺 - 残余应力、键合固化、模塑等
结构力学 - 静力学、动力学、接触、疲劳、断裂
振动与声学 - 模态、谐波、随机、频率响应
热分析 - 稳态、瞬态、辐射、对流
电磁学 - 全波、电路、电磁热应力 优化和灵敏度分析 紧凑模型降维
MEMS Studio集成的建模环境实现了高级的多物理场分析，同时将底层物理和数值复杂性对用户隐藏。工程师可以专注于封装设计，无需广泛的基础数学和求解器知识。还可以通过CAD/CAE集成、编写脚本和访问求解器参数进行定制化。
应用示例
OOFELIE已被应用于研究各种与微系统性能、可靠性和制造相关的重要封装效应:
加速度计 - 与TCAD工艺仿真结果匹配，实现可靠设计
陀螺仪 - 评估晶圆键合工艺方案，最小化振动敏感性
谐振压力传感器 - 优化封装设计，实现最高质量因数
射频滤波器 - 定量封装应力对带阻特性的影响
MEMS开关 - 表征焊接工艺过程中的热力学
音频传感器 - 识别封装对自噪声的贡献
红外探测器 - 建模轨道上封装的温度梯度和应力
压电能量收集器 - 仿真环氧树脂涂层的影响
神经刺激器 - 分析嵌入式封装在动态载荷下的可靠性
除独立分析外，OOFELIE的工作流还将仿真与EDA工具、优化、数据分析和其他CAD系统集成，实现跨学科设计闭环。其开放架构和定制化选项便于在更大的组织设计流程中使用。
总结
本文总结了OOFELIE软件的微系统封装建模功能。OOFELIE实现了与微系统相关的各种封装类型、制造工艺、工作条件和故障模式的多物理场仿真。该软件在高效的CAE环境中集成了有限元、边界元和其他高级数值方法，非专业用户也可以使用。OOFELIE为设计师提供洞察，帮助优化封装的性能和可靠性。像OOFELIE这样的软件发展进步将推动封装、IC、传感器和其他组件的协同设计，使微系统更加可靠。
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