2011年6月1日

• 芝浦工業大学工学部材料工学科・苅谷研究室で行われた解析と Opteron 6172 上でのベンチマークについて述べます。

  Fig.1 Semiconductor package model

  Fig.2 Mesh model

  Fig.3 Displacement distribution at 1800s

• 本解析の目的は，半導体パッケージの構成材の最適物性について詳細構造を再現した大規模解析モデルを用いて調査することです。
• 解析モデルと解析条件
  
  • 解析モデルを Fig.1 に示します。高密度半導体パッケージの熱疲労解析用 1/8 モデルで，パッケージ基板，チップ部品，Cuパッド，1次実装はんだバンプ，アンダーフィル，Si ダイ，シール材，ヒートスプレッダなどで構成されています。
  • 材料特性は，はんだが弾・クリープ体，アンダーフィルおよび FR-4 基板が粘弾性体，その他は弾性体です。
  • FR (Flame Retardant) とは，プリント配線基板の部材である銅張り積層板の難燃性と低誘電率を示す指標です。FR-4 はプリント基板の材料として広く用いられています。
  • Fig.2 にメッシュ分割を示します。メッシュはすべて4面体2次要素で分割してあります。メッシュサイズは 1,664,066節点，4,992,198自由度です。
  • 298K から 398K へ 900秒で昇温し，900秒保持します。合計 1800秒の計算です。
• 解析結果
  • Fig.3 に解析結果を示します。本図は変位分布に変形を重ねたものです。
  • LSI パッケージ全体が，昇温により反っていることが確認できます。基板，Si およびヒートスプレッダの変形がそれぞれ異なる傾向にあり，パッケージの反りは構造と材料により複雑であることがわかります。このような複雑な変形がはんだバンプの接続信頼性に影響していることが大規模解析で確認されました。
• 使用マシンと計算のパフォーマンス
  • 使用マシンは芝浦工業大学・苅谷研究室所有の Opteron 6172 (12 コア, 2.1GHz) 2ソケット, 合計 24 コア，マザーボードは Supermicro H8DGi，メモリは DDR3 64GB (1333MHz Reg ECC 8GB ×8)，OS は Windows XP Professional x64 Edition です。
  • 計算時間と並列効率をそれぞれ Fig.4 (a) と (b) に示します。
  • 弾・クリープ，粘弾性という複雑な解析条件を持つ 1800秒の計算が，24 プロセスでわずか 8 時間で解けています。
  • 注目すべきは，24コア，24プロセスまでスケールしている点，8，16，24コア，同数プロセスで並列効率が落ちない点です。

  (a) Elapsed time	(b) Parallel efficiency

  Fig.4 Performance of the calculation
• 参考文献
  島崎聡, 苅谷義治, 佐藤敏行, 榎本俊章, 小林誠: 大規模FEM解析によるLSIパッケージ用アンダーフィル材の最適物性の検討, 第25回エレクトロニクス実装学会春期講演大会講演論文集, (2011), pp.409-410

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