一種基於失效物理模型的多晶片組件可靠性分析方法與流程
2023-05-11 08:06:06
本發明屬於可靠性分析技術領域，特別涉及多晶片組件可靠性分析技術。
背景技術：
多晶片組件封裝技術是一種基於混合微電路薄厚膜技術基礎上發展起來的高密度立體封裝技術，該技術的採用提高了晶片的密度，縮短了晶片的互連間距，提高了電路性能。高可靠多晶片組件是電子裝備整體系統安全性的重要保證。由於多晶片組件在組裝效率、信號傳輸速度、電性能等方面的獨特優勢以及布線密度高、互連線短、體積小、重量輕和性能優良等顯著特點受到了全世界電子行業的重視，已被廣泛用於計算機、通訊、軍事、宇航和汽車等領域，是實現整機高度集成化和小型化的重要途徑。隨著現代電子裝備產品的不斷發展，對多晶片組件性能要求不斷提高，可靠性要求不斷提高，晶片密度也隨之增加，使得多晶片組件功耗增加，導致多晶片組件各部件在持續高溫或者複雜熱循環載荷或熱衝擊載荷下工作，其失效問題愈來愈突出。但是多晶片組件複雜的結構與不同的服役環境使其可靠性分析具有自己的特殊性，因此研究多晶片組件的可靠性分析方法和手段對保證多晶片組件在全壽命周期內的質量具有重要意義。
多晶片組件中，晶片數量多，布線密集，連接基板與晶片的焊點眾多，其發生失效的失效模式眾多，且各部件發生失效的概率不同。多晶片組件失效主要發生在基板、互連、晶片、封裝4個部分，主要失效模式有：多層基板中不同材料膨脹係數不匹配引起的層間裂紋；細線條不均勻、凸點質量不高、焊點熱疲勞、通孔材料熱失配引起的開路(斷路)；細線條不均勻、工藝不潔淨、介質層針孔等引起的短路以及晶片的熱失效和輻射失效；封裝氣密性差等引起的氧化腐蝕等。多晶片組件常見的失效模式大多屬於損耗-持久性模式，如引線和導電帶在熱循環和振動下的振動斷裂、焊點在應力作用下的蠕變斷裂、熱和功率循環導致材料界面分離等。多晶片組件焊點由於器件內部的熱不匹配性會發生熱疲勞失效，晶片由於變化的環境溫度和工作溫度發生彎曲變形，進而產生破裂。由於多晶片組件必然要涉及更多的材料和更複雜的結構，所以其具有較高的熱不匹配性，並且有些材料由於較低的玻璃化轉變溫度，在熱循環和功率循環中會產生較大的熱應力。此外，在生產、運輸以及使用過程中多晶片組件往往還要經受機械應力、振動等作用。
多晶片組件結構複雜，服役環境往往是多場耦合，失效模式多樣，在所有失效模式條件下求解系統可靠性存在較大困難，現有的可靠性分析方法很難從多晶片組件失效的本質出發刻畫多晶片組件的失效，傳統從失效數據出發的可靠性分析方法，計算效率低，且對數據要求較高。
技術實現要素：
本發明為解決上述技術問題，提出了一種基於失效物理模型的多晶片組件可靠性分析方法，從多晶片組件的本身出發，不依託可靠性壽命數據，有效避免壽命數據不足的問題。
本發明採用的技術方案是：一種基於失效物理模型的多晶片組件可靠性分析方法，包括：
s1、確定多晶片組件在壽命周期內的任務剖面；
s2、根據步驟s1的任務剖面確定其環境載荷剖面；
s3、根據任務剖面和環境載荷剖面得到對應的多晶片組件應力剖面集合；
s4、根據步驟s3的多晶片組件應力剖面集合，對該多晶片組件進行fmmea分析；確定該多晶片組件潛在的失效機理與失效模式；
s5、根據步驟s4的多晶片組件潛在的失效機理與失效模式，確定失效物理模型。
進一步地，所述多晶片組件的每一個任務剖面對應一個環境載荷剖面。
更進一步地，所述環境載荷剖面包括：溫度、振動、溫度的持續時間以及振動的持續時間。
進一步地，所述步驟s3具體為：採用計算機模擬仿真將環境載荷剖面施加到多晶片組件的有限元物理模型上，並將其熱分析結果作為該多晶片組件熱分析的邊界條件進行加載，獲得各組成單元對應的應力剖面集合；
所述一個環境載荷剖面對應各組成單元的一個應力剖面集合。
進一步地，步驟s4中所述fmmea分析具體為：
a1、確定多晶片組件的系統結構與功能，首先定義要分析的多晶片組件系統，並確定該系統下每一個構件的功能，列表出每一個構件有關的功能；
a2、確定多晶片組件潛在失效模式，包括：互連失效、封裝失效；
a3、確定潛在失效機理，包括：過應力失效、耗損失效。
本發明的有益效果：本發明的方法，通過將失效模式與多晶片組件的結構材料等性能參數相關聯，建立了一種從多晶片組件失效本質出發的可靠性分析方法；提供一套多晶片組件失效物理分析的規範化流程，該方法實施時並不是依託可靠性壽命數據，而是從多晶片組件的工藝參數信息、材料信息、加工製造、實際使用情況出發進行分析，可有效避免壽命數據不足的難點，減少成本；並且本申請方法從多晶片組件失效的本質出發，刻畫產品的失效，為優化多晶片組件結構設計、材料、製造工藝等提供可靠建議，可相對準確地找出產品可靠性薄弱環節，進而得到了與實際情況更為符合的分析結果。
附圖說明
圖1為本發明的多晶片組件失效物理可靠性分析流程圖。
圖2為本發明實施例的多晶片組件的基本構成示意圖。
圖3為本發明實施例的多晶片組件典型任務剖面示意圖。
圖4為本發明實施例的多晶片組件所經歷的理想的環境載荷剖面。
圖5為多晶片組件有限元模型示意圖。
圖6為本發明實施例的對數正態分布、正態分布以及威布爾分布對抽樣仿真數據的擬合曲線圖。
具體實施方式
為便於本領域技術人員理解本發明的技術內容，下面結合附圖對本發明內容進一步闡釋。
本實施例中的多晶片組件為飛彈用多晶片組件，其組成單元如圖2所示，組成單元包括：散熱器、外殼、多層布線基板、lsi晶片以及i/o引腳等；下面以飛彈用多晶片組件為例對本發明的內容進行說明。
如圖1所示為本申請的技術方案示意圖，本申請的技術方案為：一種基於失效物理模型的多晶片組件可靠性分析方法，首先，通過對多晶片組件在壽命周期內經歷的多種任務剖面的分析，在獲得多晶片組件詳細設計信息的前提下，確定其環境載荷剖面。環境載荷剖面是指溫度、振動等影響多晶片組件可靠性的外因參數以及它們的持續時間，然後應用計算機仿真模擬的方法模擬多晶片組件的使用過程，將結果作為失效物理模型的輸入。進行蒙特卡羅抽樣，模擬失效發生過程，獲得產品的失效分布。
具體分析包括如下步驟：
s1：確定飛彈在壽命周期內的任務剖面。對於飛彈，在生產交付後到執行作戰任務或退役之前，其任務剖面為：接裝、運輸、轉載、戰備值班、戰備轉級、測試、保養、維修等，以某型號飛彈為例，其在交付後的典型任務剖面如圖3所示。
通過分析該飛彈在全壽命周期內的任務剖面，在飛彈貯存期間，某多晶片組件承受的環境載荷比較穩定；當飛彈執行使用任務剖面時，具有較大的工作載荷，環境載荷也會隨之變化。
s2：根據步驟s1壽命任務剖面確定其環境載荷剖面。由步驟s1可知，該多晶片組件模塊所屬飛彈在其全壽命周期使用中，可能經歷4個典型的任務剖面，每一個任務剖面名稱、執行概率以及持續時間如表1所示。
表1某飛彈壽命周期內的任務剖面集合
由於該多晶片組件在貯存任務剖面階段承受的環境載荷穩定，且工作載荷較小，故選用作戰使用任務剖面作為其典型的任務剖面進行分析。通過一些通用的可靠性數據(比如手冊、國軍標、美軍標等)生成該多晶片組件在mp4任務剖面下的溫度載荷剖面。溫度載荷參數由各個溫度水平的幅值、持續時間、溫變率等組成。
s3：本實施例中，首先用有限元仿真軟體ansys建立該多晶片組件的有限元模型，如圖5所示。採用計算機模擬仿真的方法將環境溫度施加到多晶片組件的有限元模型上，將其熱分析結果作為該多晶片組件熱分析的邊界條件進行加載，獲得各組成單元(基板、焊點等)的溫度應力剖面集合。
s4：根據應力分析，對該多晶片組件進行fmmea分析，確定其潛在的故障模式，找出故障原因，確定故障機理。通過分析該型號飛彈用多晶片組件的失效模式、失效原因和失效機理，找出失效發生的根本原因。
以該型號多晶片組件為對象，進行fmmea分析如表2所示，找出其潛在失效模式、失效原因以及失效機理。
表2多晶片組件fmmea分析
s5：根據步驟s4所得到的潛在失效機理與失效模式，確定失效物理模型。
根據計算機分析軟體，將應力分析結果，材料參數等作為pof模型(probabilitydensityfunction)集合的輸入，計算其在壽命任務剖面內的失效分布情況。進行一次蒙特卡羅抽樣後，將抽樣結果作為pof模型的輸入，計算並統計各子樣本的壽命。利用matlab的圖表繪製工具，將統計數據分別繪在威布爾坐標系、對數正態坐標系以及正態坐標系中，可比較其統計分布更符合哪種分布類型。
所述步驟s1具體為：針對多晶片組件在全壽命周期內不同的任務剖面，確定其主要的環境載荷剖面，從而為失效物理模型確定外因輸入。由於在多物理場耦合作用下，多晶片組件的失效規律和機制更加複雜，失效模式間相互關聯。
所述步驟s3具體為：通過分析某型號飛彈用多晶片組件的失效模式、失效原因和失效機理，找出失效發生的根本原因。以該型號多晶片組件為對象，進行fmmea分析，找出其潛在失效模式、失效原因以及失效機理。
通過步驟s1與步驟s2確定影響多晶片組件的主要內在因素和外在因素，進而確定其潛在的多種失效模式及失效機理。確定主要的失效模式與失效機理，具體如表2所示。
表3多晶片組件主要失效模式及失效機理
運用失效物理模型對多晶片組件失效機理和失效現象進行分析。由於多晶片組件發生的結構鬆散、脫焊、材料裂損、基板裂紋等失效問題都和多晶片組件強度有關，這一類的失效都可用應力-強度模型解釋；而疲勞、焊點蠕變、磨損等失效問題都屬於損耗型失效。針對不同的失效模式，具體有如表4所示的幾種失效模型。
表4失效物理模型
根據步驟4中fmmea分析結果，可以得出焊點失效為該多晶片組件的主要失效模式，其主要失效機理為熱循環導致的熱疲勞失效。在本案例中主要對焊點失效進行重點分析。多晶片組件焊點疲勞失效屬於損耗型失效，最常用的失效模型為基於應變的coffin-manson模型，其通用公式為：
式中，δεp是塑性應變幅度；nf是焊點發生破壞時經歷的熱循環次數；εf'為疲勞延性係數，c為疲勞延性指數，一般在0.5～0.7之間。
該模型適用於塑性變形引起的焊點損傷，未將時間與溫度對焊點損傷的影響考慮進去。將baspuin方程與coffin-manson方程結合形成全應變模型以描述塑性應變和彈性應變的總應變損傷：
其中，e為焊料的彈性模量，δε表示總應變。
將應力分析結果、材料參數等作為式(2)所示失效物理模型的輸入，計算其在壽命任務剖面內的失效分布情況。進行一次蒙特卡羅抽樣後，將抽樣結果作為pof模型的輸入，計算並統計各子樣本的壽命。利用matlab的圖表繪製工具，將統計數據分別繪在威布爾坐標系、對數正態坐標系以及正態坐標系中，可比較其統計分布更符合那種分布類型。
在本發明中，針對多晶片組件工況複雜，服役環境耦合，導致其失效規律和機制更加複雜，失效模式間相互關聯的情況，研究採用一種基於失效物理模型計算多晶片組件可靠性參數的方法，分析多種失效機制與多種失效模式對多晶片組件壽命預測的影響。研究從多晶片組件失效內因和失效外因出發，分析多種失效機制對其的影響。該研究將失效物理模型引入到多晶片組件可靠性分析中，將多晶片組件服役環境相關參數當作多晶片組件發生失效的外在因素，以及組件本身材料、尺寸、加工等作為失效發生的內在因素，並結合有限元分析方法對其進行模擬仿真，考慮各種內外在影響因素對多晶片組件可靠性的影響。本方法不限於多晶片組件可靠性分析，可以進一步應用至其他各類電子封裝部件可靠性分析中。
本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。