Температурные напряжения в Workbench

[Andry_V 0]

Здравствуйте друзья! Вот пытаюсь решить следующую задачу:

Имеется вот такая конструкция полевого транзистора на подложке и необходимо посчитать температурные напряжения при определённой температуре, которые возникают в столбиковых выводах ТР. Ну создаю therm-stress проект (расчёт в 2Д), задаю все материалы, задаю температуры,и вот тут есть один нюанс: вот эти столбики - золотые, паяются на золотую площадку при температуре 320 град.Ц. Т.е при этой температуре в них нет напряжений (по идее). Так вот, я в хелпе начитал, что за выставление этой температуры ответственна команда REFT (Reference temperature). Тут первый вопрос: Правильно ли я понял, что этот параметр отвечает именно за это? или это что-то другое? Ну и вот в области, где задаются нагрузки структурные, я создал Command, куда ввёл MP,REFT,2(Номер материала?),320. Тут второй вопрос: Как определить под каким номером находится материал? Если смотреть в Engineering data, то там непосредственно строки с материалами начинаются с №3, брать эти номера? или нужно просто брать порядковый номер материала? Также задаю фиксацию нижней грани подложки и ставлю на расчет. Считаю я напряжения при -60 град.Ц. и что-то уж очень большие они выходят. Порядка 1500МПа. Ставлю температуру 320 град.Ц, считаю и получается, что напряжения при этой темп. нисколько не минимальные, а минимальные при стандартной температуре в 22 град.Ц. Вот такая ситуация. Ну и общий вопрос: что я не правильно делаю? Буду очень рад любой помощи.

Изменено 28 ноября 2011 пользователем Andry_V

[soklakov 1 475]

Andry_V, обратите внимание на ветку Initial Conditions. Там по умолчанию стоит 22 С. То есть исходная температура всего материала, для которого не определено иное. Отсюда у вас и получаются минимальные напряжения при этой температуре.

В WB у каждого тела свой номер материала, даже если свойства одинаковые. Номера материалов можно узнать в Solution Information или при открытии проекта в классике. Но это Вам не нужно. Создаете Commands Object для того или тех тел, для которых хотите задать какие-либо свойства с помощью APDL. Тут и пишете любые свойства, при этом обращение к номеру материала производите через matid.

Изменено 29 ноября 2011 пользователем soklakov

[Andry_V 0]

Спасибо за быстрый ответ. Минимальные напряжения при требуемой температуре получились только тогда, когда я для каждого тела прописал то что вы и сказали (mp,reft,matid,320). Но остаются сомнения по корректности полученных значений. Напряжения получились просто огромными, почти 2000 МПа (см. рис). Даже не знаю на что и грешить.

[soklakov 1 475]

Andry_V, я не совсем понял, корректно ли у Вас задана тепловая задача, но у вас сингулярность в модели. Помельчите сетку еще и получите еще большие напряжения. Если коротко, у Вас есть несколько вариантов:

1. Добавить скругления.

2. Добавить пластику.

3. Игнорировать сингулярность при постпроцессинге.

[Andry_V 0]

Вся моя тепловая задача это нагружение всех тел температурой -60град. Конвекцией я пренебрегаю, т.к вся эта конструкция ещё монтируется в герметичный корпус и вроде как она не сильно должна влиять на расчет. Из всех трёх способов на данный момент для меня понятней всего как сделать - это добавление скруглений, а вот остальные пункты пока не знаю как реализовать.

[soklakov 1 475]

Andry_V , во время пайки ведь расплавляется не весь материал. А значит для части материала REFT станет 320, для части останется 22.

Добавление пластики наиболее физичный способ избавиться от сингулярности, но и наиболее дорогой по ресурсам. На этой задаче Вы, конечно, этого не почувствуете. Добавьте материалу свойство Isotipic Bilinear Hardening. Yield Strength - предел текучести, погуглить. Tangent Modulus укажите 0. А дальше выполняйте расчет. Учет физической нелинейности может потребовать отрегулировать настройки шагов по времени для получения сходящегося решения.

Судя по Вашей картинке, если тепловая задача поставлена все-таки правильно, то напряжения в районе 600МПа. Если это выше предела текучести Вашего золота, то расчет может развалиться, когда один из контактов потечет полностью и возникнет большая дисторсия элементов. Важно всегда определиться, почему расчет не сходится. Поскольку последний вариант фактически означает разрыв одного из контактов - то скорее всего конструкция температуру не держит. Но если причина в неправильно подобранном шаге по времени, то все еще может быть.

Уже слишком много "если". Пробуйте, рассказывайте, что получается.

[Andry_V 0]

Добавил необходимые свойства для золота, и оставил определение референсной температуры только для золотых тел. Во время структурного просчета выдал ошибку . Пишет что-то вроде того, что решение не сходится из-за нелинейных проблем. Я изначально не сказал, что считаю всё в статическом режиме и это видимо не правильно.

[soklakov 1 475]

Andry_V , нелинейный расчет всегда задача не из легких. Статики Вам вполне хватит, инерции нет. Читайте Solution Information внимательно и вдумчиво. Разваливается ли решение сразу, или на определенном шаге (у Вас ведь много подшагов?), вызвано ли это дисторсией элементов или тем, что они улетают в бесконечность. Кроме того, попробуйте заменить модель Прандтля на линейное упрочнение - касательный модуль пластичности(Tangent Modulus) установите раз в десять меньше модуля упругости (Young's Modulus). Более того, начните именно с этого.

[Andry_V 0]

С первого раза не получилось с пластичностью посчитать, расстроился, решил сделать скругления. Задание свойств пластичности при этом убрал из св-в материала. И программа посчитала, и даже с боле менее реальными значениями. Хотя предел текучести я нагуглил порядка 3,432МПа, а тут напряжения всёравно огромные. При этом использовал след. настройки анализа (см.рис.) Надо теперь разобраться с заданием пластичности, дабы наиболее корректно решить задачу. Кстати, если я задаю пластичность, то это исключает необходимость делать скругления в геометрии?

Изменено 30 ноября 2011 пользователем Andry_V

[soklakov 1 475]

Andry_V, добавление пластичности в модель наиболее физично, но не наиболее корректно. Решить правильно это ведь еще и соблюсти баланс между приложенными усилиями и точностью результатов. Расчет всегда нужен, чтобы принять решение, например, можно так делать или нет. Что в Вашем случае будет критерием? Оторвется или нет контакт? В сечении контакта напряжения не превышают 31 Мпа, что ниже предела текучести 35 МПа. Так что не оторвется. Это мы проигнорировали сингулярность. Локальные пики напряжений срелаксируют за счет пластики, несколько увеличат уровень напряжений в своей окрестности. Примерно это Вы увидите при включенной пластике. Если понимать, что даст пластика и при этом имеет место приличный запас, то ее можно и не считать.

Скругления позволяют при достаточно мелкой сетке получить сеточную сходимость, но чтобы это имело смысл, радиусы должны иметь реальную величину. А Вы знаете радиусы? Вы уверены, что скругления будут именно такими, как нарисовано? Разве золото при плавке не смочит поверхности? Может скругления будут в другую сторону? А может и поверхностное натяжение окажется сильнее, тогда радиусы отрисованы верно. И все равно непонятно с размером. Если все эти неопределенности имеют место, то скругления неактуальны и разрешать их смысла большого нет, Вам все равно придется игнорировать пики напряжений в них.

В Ваших картинках не хватает сетки. У Вас там контакты, кажется. Может стоит обойтись единой сеткой? Все ж припаяно.

Изменено 30 ноября 2011 пользователем soklakov

[Andry_V 0]

Так предел текучести 3,432МПа, а не 35МПа. Есть экспериментальное значение: 150грамм силы при воздействии которой это чип отрывается.

В данной конструкции достаточно проблематично узнать реальные радиусы, слишком малые размеры, столбиковые выводы 10мкм в высоту. Я сделал радиус скругления 0.5 мкм, а реален ли он этого, наверно, никто не знает.

Да, я в контакт добавлял радиусы. В каком смысле единой сеткой?

[Makarrr 15]

Предел текучести 35 МПа! 150 грамм - характеризует не свойство золота, а прочность связи золота с чипом.

[soklakov 1 475]

Andry_V , единой сеткой - это "Form New Part" из всех тел в DM'e. Тогда сетка будет сплошной и без контактов. Но как подсказывает Makarrr, за критерий Вы все таки возьмете нормальные и сдвиговые усилия на границе раздела золота и чипа. Там лучше контакт, Bonded'а Вам хватит, но надо сделать его асимметричным, чтобы усилия корректно определять.

Радиусы убирайте, раз все равно ничего неизвестно. Сеточную сходимость можно ловить, например, на среднем значении нормального контактного давления в зоне потенциального отрыва. Сингулярность игнорируйте.

[Andry_V 0]

C Tangent modulus = 0 не считает. Подшагов поставил побольше - 500 Сначала выдает варинги:

*** WARNING ***						 CP =	  67.970   TIME= 08:40:31

 Plasticity algorithm does not converge for element 8794, material 6.

Затем обращает внимание на то, что какойто элемент имеет большую деформацию:

*** NOTE ***							CP =	  67.970   TIME= 08:40:31

 One or more elements have become highly distorted.  Excessive		   

 distortion of elements is usually a symptom indicating the need for	 

 corrective action elsewhere.  Try incrementing the load more slowly	 

 (increase the number of substeps or decrease the time step size).  You  

 may need to improve your mesh to obtain elements with better aspect	 

 ratios.  Also consider the behavior of materials, contact pairs,		

 and/or constraint equations.  If this message appears in the first	  

 iteration of first substep, be sure to perform element shape checking.  

 *** LOAD STEP	 1   SUBSTEP	 1  NOT COMPLETED.  CUM ITER =	  8

 *** BEGIN BISECTION NUMBER   1	NEW TIME INCREMENT=  0.70000E-01

И в конце выдает 3 ошибки:

*** ERROR ***						   CP =	 239.820   TIME= 08:41:13

 The value of UX at node 31849 is 3.476189054E+09.  It is greater than   

 the current limit of 1.E+09.  This generally indicates rigid body	   

 motion as a result of an unconstrained model.  Verify that your model   

 is properly constrained.												



 *** ERROR ***						   CP =	 239.820   TIME= 08:41:13

 *** MESSAGE CONTINUATION ---- DIAGNOSTIC INFORMATION ***				

 If one or more parts of the model are held together only by contact	 

 verify that the contact surfaces are closed.  You can check contact	 

 status in the SOLUTION module for the converged solutions using		 

 CNCHECK.																



 *** ERROR ***						   CP =	 239.820   TIME= 08:41:13

 *** MESSAGE CONTINUATION ---- DIAGNOSTIC INFORMATION ***				

 Rigid body motion can also occur when net section yielding has		  

 occurred resulting in large displacements for small increments of load  

 or when buckling has occurred.  You can plot the time history curve	 

 for node 31849 in the UX direction to check for stiffness (slope of	 

 the curve) approaching zero.											

	>>> DOF LIMIT EXCEEDED.  MAX VALUE= 0.3476189E+10  LIMIT= 0.1000000E+10

 *** LOAD STEP	 1   SUBSTEP	 1  NOT COMPLETED.  CUM ITER =	 28

 *** BEGIN BISECTION NUMBER   4	NEW TIME INCREMENT=  0.42875E-02

Поставил Tangent Modulus на порядок меньше Young's modulus. Посчитал, но макс. напряжения выросли в 2 раза, по сравнению с расчетом модели со скруглением. И максимумы сместились из области контакта золото-золото в область контакта золото-чип ТР, и это мне кажется более логичным.

[soklakov 1 475]

Andry_V, кстати, какой предел текучести-то ставите? В целом, судя по всему даже если 35 МПа, все улетает. Потому Вас и спасает линейное упрочнение. Другое дело, удастся ли Вам раздобыть диаграмму нагружения золота.

Обратите внимание еще вот на какой момент. Число шагов большое это хорошо, это плавное нагружение казалось бы... но! Нагрузка -60 С. При этом начальная у Вас какая? 22 С? То есть насколько маленьким шаг бы не был, на первом шаге температурара около 22. А REFT золота у Вас 320 С. Итого, на первом же шаге, в не зависимости от его размера Вы получаете огромные деформации в золотых контактах. При этом, если Вы зададите начальную температуру 320 С, то большие деформации получите в остальном материале, правда, расширение.

В идеале сначала прорешивается задача припаивания - определяются имеющиеся напряжения после спаивания, потом охлаждение. То есть Transient-Thermal. Но момент расплавления и резкого переключения REFT отдельная песня. Я бы на Вашем месте предпочел остаться в Static Structural.

Если машина позволяет, объедините тела в один Part, постройте уже единую сетку. Оставьте контакт только золото-чип и посмотрите контактные усилия. Только не максимум в точке, а интегрально. Сравните их с допустимым экспериментальным значением. В эксперименте же наверняка интегральная характеристика.

[Andry_V 0]

Да предел текучести поставил 35 МПа. Начальная температура 25С. Я изначально и рассматривал идеальный вариант расчёта, когда поэтапно просчитываются пайка, остывание, охлаждение, но на данном этапе моего познания всех тонкостей моделирования в Ansys, этот вариант пока не выполним.

Машина позволяет, попробую сейчас это проделать. Только как в воркбенче вывести интегральные напряжения?

Эксперимент:) Если это вообще можно назвать экспериментом) Эти сдвиговые напряжения измеряются динамометром с циферблатом(!), который и показывает какое усилие нужно приложить к чипу, чтобы тот оторвался. Вот и весь эксперимент:)

Изменено 1 декабря 2011 пользователем Andry_V

[soklakov 1 475]

Andry_V, именно поэтому я и говорю, что в эксперименте итегральная характеристика. Измерили силу, поделили на площадь контактов, получили сдвиговые разрушающие напряжения. Вам же нужно к этой цифре подойти с другой стороны, получить в узлах контакта сдвиговые напряжения (Contact Tool), и определить среднее значение, а может и подключить статистический матаппарат в полном объеме.

[Andry_V 0]

Сделал 2 части, в одну объединил подложку-золотую площадку-столбики, в другую чип ТР- слой GaN. Сделал контакты столбиков и чипа. Максимальные напряжения получились 279МПа. Вывел сдвиговые напряжения (frictional stress?) в contact tool в областях контакта, вытащил значения напряжений в каждом узле, посчитал среднее, умножил на площадь контакта и кол-во столбиков. Получилось сдвиговая сила порядка 775 гр.сила, по эксперименту это значение порядка 150 гр.сила, т.е чип отлетает при такой температуре, но вся печаль в том, что в термоциклировании этот чип ни разу не отскочил. Что-то не то. Видимо необходимо либо доп. параметры материала, либо считать поэтапно.

Изменено 1 декабря 2011 пользователем Andry_V

[soklakov 1 475]

Andry_V , в эксперименте можно говорить о более менее одинаковом НДС для всех контактов. При теромоциклировании это не так. Исследуйте только крайний контакт. При этом, возможно, стоит отбросить пиковые значения (статистика пригодится), как результат сингулярностей. Золото пластичное? А Вы помните, что касательный модуль пластичности в десять раз меньше модуля упругости мы задали наобум?

Поэтапное моделирование пугает, переключение REFT между шагами неизвестно чем аукнется, хотя попробовать можно. Но можно попробовать следующее: задайте для времени ноль температуру контактов 320 (Thermal Conditions). И на первом шаге оставьте ее же. Убедитесь, что конструкция ненапряжена. И уже после этого начинайте охлаждать. Сначала контакты до 22, потом все вместе до -60. Таким образом, Вы будете моделировать задачу с момента припаивания. В чем бонус: плавное нагружение при охлаждении. Возможно, даже модель Прандтля для золота прокатит в таком случе. Ну да чего рассуждать на пустом месте, надо пробовать.

[Andry_V 0]

Это всё ещё статический анализ? Если учитывать технологию пайки, то там нагрвается вся подложка до 320 и на неё уже паяется чип с выращенными на нем выводами. Задал температуру контактов в 320С посчитал, и напряжения всёравно есть, порядка 250 МПа, а в contact tool под 350МПа. При 25С - 170МПа. Может не так задаю температуру?

Изменено 2 декабря 2011 пользователем Andry_V