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基于节点法的系统级分析方法已经广泛运用于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)分析和设计当中,并且取得非常好的效果。但是在MEMS封装领域,该方法没有得到具体的应用,节点法中的分布力问题亟待研究,本文研究了MEMS封装领域的节点法问题和分布力的解决方法,扩大了节点法的应用领域。
本文首先引入了力法、位移法等结构力学的基本理论,重点分析了在矩阵位移法中局部坐标系和整体坐标系下梁单元的刚度矩阵,该理论是后续章节具体分析的基础;接着,将结构力学理论引入到MEMS节点分析方法中,建立了节点分析方法中分布力与节点力之间的等效方法,给出了一组分布力等效的理论公式,运用有限元软件ANSYS模拟了各类组合梁结构在分布力等效前后的变形情况,验证了该方法的正确性,拓宽了MEMS分析中节点分析方法的使用范围:随后,针对具体的封装形式倒装焊,在梁单元等效电路的基础上,考虑该模型受热变形时的一些微观效应,通过单元搭接法建立了该模型的等效电路,基于HSpice建立电路网表进行仿真,并且将该方法的仿真结果与ANSYS的仿真结果进行比较:最后,将3个芯片进行倒装焊实验,运用光学轮廓仪对3个倒装焊实物的芯片表面进行表面形貌的测量,再分别运用有限元方法和等效电路方法对该实物模型进行仿真,将实验结果、有限元分析结果和等效电路分析结果进行比较,对等效电路方法即节点法的正确性进行验证,结果表明了该方法的可行性。
仿真与实验结果表明:一方面,分布力与节点力的等效方法拓宽了MEMS分析中节点分析方法的使用范围;另一方面,与传统的有限元分析方法相比,应用于MEMS封装中基于节点法的等效电路方法具有模型简单、仿真时间短、与系统级电路仿真相兼容的优点。