CN108460209B - 一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法和系统，其中，该方法包括：根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义；对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各组成模块存在的潜在失效模式；对各潜在失效模式进行失效原因和机理分析，得到第一分析结果；对各潜在失效模式进行故障影响和严酷度分析，得到第二分析结果；根据第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表。本发明提供了一种适合宇航级SiP器件应用的FMEA分析方法。通过对SiP进行单元分解，并对每一潜在故障模式进行分析，从而得到该款器件的FMEA的分析结论，为元器件质量保证工作提供了有效的技术支撑。

Description

一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法和系统

技术领域

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法和系统。

背景技术

随着航天器的发展和需求，目前出现了大量的采用新工艺、新封装的定制功能的SiP(System In a Package，系统级封装)器件，特别是将原先规模较大的单机缩小在一个单独封装的元器件中，里面包含了多种结构、多种工艺以及多种类元器件，这类器件的出现给元器件质量保证工作带来了很大的挑战。

而目前的FMEA(Failure Mode and Effect Analysis，失效模式和影响分析)方法主要应用于航天器、空间站、星船等大型工程项目中，针对器件级如宇航用SiP器件并无相关方法，特别是没有针对宇航用元器件进行FMEA的相关要求或指南。

此外，由于元器件与型号间存在较大差异，因此型号用FMEA分析方法也适用于宇航用SiP器件。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种宇航用SiP器件的FMEA方法和系统，为宇航用SiP器件的质量保证工作提供了有效的技术支撑。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法，包括：

根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义；

对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式；

对各潜在失效模式进行失效原因和机理分析，得到第一分析结果；

对各潜在失效模式进行故障影响和严酷度分析，得到第二分析结果；

根据所述第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表。

在上述宇航用SiP器件的FMEA分析方法中，还包括：

根据潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果，进行前位识别，将当前宇航用SiP器件质保方案与所述潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果进行对比，根据对比结果确定检测漏洞。

在上述宇航用SiP器件的FMEA分析方法中，还包括：

根据潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果，确定宇航用SiP器件的薄弱环节，以反馈到设计生产单位，为产品改进提供依据。

在上述宇航用SiP器件的FMEA分析方法中，所述根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义，包括：

对宇航用SiP器件按组成功能进行结构单元分解，将宇航用SiP器件分解为封装体和内部元器件两部分；

将封装体按层次分解为：陶瓷外壳、盖板、LTCC基板和键合丝；

将内部元器件层次分解为：ASIC芯片、总线驱动芯片、薄膜电阻片和独石电容。

在上述宇航用SiP器件的FMEA分析方法中，所述对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式，包括：

根据陶瓷外壳的材料属性及陶瓷外壳对应的历史失效案例，确定陶瓷外壳存在的第一潜在失效模式；

根据盖板的材料属性及盖板对应的历史失效案例，确定盖板存在的第二潜在失效模式；

根据LTCC基板的材料属性及力热试验、可靠性试验中的历史失效案例，确定LTCC基板存在的第三潜在失效模式；

根据键合丝的可靠性试验数据及键合丝对应的历史失效案例，确定键合丝存在的第四潜在失效模式；

根据ASIC芯片和总线驱动芯片的功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，确定ASIC芯片和总线驱动芯片存在的第五潜在失效模式；

根据薄膜电阻片的生产工艺、功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，确定薄膜电阻片存在的第六潜在失效模式；

根据独石电容的应用案例及可靠性试验，确定独石电容存在的第七潜在失效模式。

在上述宇航用SiP器件的FMEA分析方法中，

第一潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：开裂、绝缘电阻失效、短路、开路、外引线脱落失效、电镀层锈蚀和密封性；

第二潜在失效模式，包括：弯曲变形；

第三潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：基板附着力下降、基板焊接可靠性下降、基片开裂和开路；

第四潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：键合力下降、脱键和键合引线失效；

第五潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：短路、电参数退化、金属化互联线开路或高阻和无输出；

第六潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：开路和阻值超差；

第七潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：开路、短路和参数漂移。

在上述宇航用SiP器件的FMEA分析方法中，所述第二分析结果，包括：宇航用SiP器件故障影响与严酷度类别之间的对应关系；其中，宇航用SiP器件功能失效对应第I类严酷度，宇航用SiP器件功能部分失效对应第II类严酷度，宇航用SiP器件参数超差对应第III类严酷度。

本发明还公开了一种宇航用SiP器件的FMEA分析系统，包括：

定义模块，用于根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义；

分析模块，用于对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式；以及，对各潜在失效模式进行失效原因和机理分析，得到第一分析结果；以及，对各潜在失效模式进行故障影响和严酷度分析，得到第二分析结果；

结果输出模块，用于根据所述第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法和系统，可基于宇航用SiP器件的样品或设计图纸进行分析，将复杂元器件进行层次分解，并对各层次的可靠性进行故障分析及失效概率分析，对设计、生产单位给出改进指导意见，同时提交给用户各层次的重点失效位置，可让用户在使用过程中避免可能危害到电路的设计及使用方式。

(2)为宇航用SiP器件的质量保证工作提供了有效的技术支撑。

(3)对于较易出现问题的电路部分进行备份，以便型号功能的正常运行。

附图说明

图1是本发明实施例中一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种宇航用SiP器件的结构层次分解示意图；

图3是本发明实施例中一种宇航用SIP器件的各个模块存在的潜在失效模式的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法的步骤流程图。在本实施例中，所述宇航用SiP器件的FMEA分析方法，包括：

步骤101，根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义。

在本实施例中，可根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件进行结构分类，进而进行层次定义。

参照图2，示出了本发明实施例中一种宇航用SiP器件的结构层次分解示意图。优选的，可对宇航用SiP器件按组成功能进行结构单元分解，将宇航用SiP器件分解为封装体和内部元器件两部分；进一步的，将封装体按层次分解为：陶瓷外壳、盖板、LTCC(LowTemperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)基板和键合丝；将内部元器件层次分解为：ASIC(Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路)芯片、总线驱动芯片、薄膜电阻片和独石电容。

步骤102，对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式。

在本实施例中，在进行模块层次定义后，可通过各模块已出现过的失效案例，以及理论上存在的潜在失效可能，对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析。其中，在分析过程中，由于宇航用SiP器件内部全部都是定制裸芯片，因此在分析前需对宇航用SiP器件内部结构进行识别，进而进行针对性分析。

以图2所示的宇航用SiP器件的结构层次为例，宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式如图3所示。参照图3，示出了本发明实施例中一种宇航用SIP器件的各个模块存在的潜在失效模式的示意图。

如图3，根据陶瓷外壳的材料属性及陶瓷外壳对应的历史失效案例，可确定陶瓷外壳存在的第一潜在失效模式；根据盖板的材料属性及盖板对应的历史失效案例，可确定盖板存在的第二潜在失效模式；根据LTCC基板的材料属性及力热试验、可靠性试验中的历史失效案例，可确定LTCC基板存在的第三潜在失效模式；根据键合丝的可靠性试验数据及键合丝对应的历史失效案例，可确定键合丝存在的第四潜在失效模式；根据ASIC芯片和总线驱动芯片的功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，可确定ASIC芯片和总线驱动芯片存在的第五潜在失效模式；根据薄膜电阻片的生产工艺、功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，可确定薄膜电阻片存在的第六潜在失效模式；根据独石电容的应用案例及可靠性试验，可确定独石电容存在的第七潜在失效模式。

其中，第一潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：开裂、绝缘电阻失效、短路、开路、外引线脱落失效、电镀层锈蚀和密封性；第二潜在失效模式，包括：弯曲变形；第三潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：基板附着力下降、基板焊接可靠性下降、基片开裂和开路；第四潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：键合力下降、脱键和键合引线失效；第五潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：短路、电参数退化、金属化互联线开路或高阻和无输出；第六潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：开路和阻值超差；第七潜在失效模式，包括如下模式中的至少一种：开路、短路和参数漂移。

步骤103，对各潜在失效模式进行失效原因和机理分析，得到第一分析结果。

在本实施例中，在根据步骤102确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式之后，可针对各潜在失效模式开展失效原因和机理分析，从而更好的指导使用过程中引发失效模式的环境和工作条件，并指导设计和制造过程中进行设计或工艺的改进。

如表1，示出了本发明实施例中一种宇航用SiP器件工作时的环境条件和工作条件与潜在失效模式之间的对照表：

序号	试验项目	试验条件	潜在失效模式
				1	加电老化	5V，105℃，240h	芯片出现漏电等故障现象
2	老化	85℃，10天	键合丝出现虚接
				3	温度冲击	-40℃～85℃，保温30min，循环5次	内部元器件发生参数漂移
4	高温储存	105℃，168h	陶瓷外壳或基板开裂
				5	低温储存	-55℃，96h	内部元器件发生参数漂移
6	随机振动	X,Y,Z三个方向，2次/方向，2min/次	外引线脱落
				7	恒定加速度	5000g	SiP器件出现参数漂移
8	低温测试	-40℃，保温2h后进行电测试	键合丝出现虚接
				9	高温测试	+85℃，保温2h后进行电测试	陶瓷外壳或基板开裂

表1

步骤104，对各潜在失效模式进行故障影响和严酷度分析，得到第二分析结果。

在本实施例中，在根据步骤102确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式之后，可结合宇航用元器件曾出现过的失效案例及可能的潜在失效模式进行分析，得出宇航用SiP器件在不同失效模式下对自身、外围电路、整机等高层次航天器可能会造成的影响，并对影响程度进行分析。

如表2，示出了本发明实施例中一种宇航用SiP器件的严酷度类别定义表：

严酷度类别	严酷程度定义
		I类	SIP功能失效
II类	SIP功能部分失效
		III类	SIP参数超差
IV类	影响很小

表2

如表2，第二分析结果，可以包括：宇航用SiP器件故障影响与严酷度类别之间的对应关系。其中，宇航用SiP器件功能失效对应第I类严酷度，宇航用SiP器件功能部分失效对应第II类严酷度，宇航用SiP器件参数超差对应第III类严酷度。

步骤105，根据所述第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表。

在本实施例中，通过上述步骤101～104的分析之后，针对当前宇航用SiP器件各模块的潜在失效模式，对故障原因、机理、影响以及设计改进措施和使用补偿措施进行分析总结，并列出最终的FMEA分析结果表并输出。以陶瓷外壳的其中一个故障模式为例，输出的FMEA分析结果表如表3所示：

表3，FMEA分析结果表

在本发明的一优选实施例中，所述宇航用SiP器件的FMEA分析方法，还可以包括：根据潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果，进行前位识别，将当前宇航用SiP器件质保方案与所述潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果进行对比，根据对比结果确定检测漏洞。

在本实施例中，通过上述步骤101～104的分析之后，可进行前位识别，与当前宇航用SiP器件质保方案进行对比，找出检测漏洞，相应的提供更进一步的检测方法。同时通过潜在失效模式，反馈给设计生产单位，可以使其完善设计生产过程，改进产品，得到更优产品。

其中，需要说明的是，可采用无损检测和有损检测对宇航用SiP器件进行失效模式检测。无损检测可以包括：外观检查和电性能检查等；有损检测可以包括：破坏性物理分析、结构分析，针对器件内部结构等问题进行检查等。从而可以在器件质保过程中提前识别该危害。

在本发明的一优选实施例中，所述宇航用SiP器件的FMEA分析方法，还可以包括：根据潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果，确定宇航用SiP器件的薄弱环节。

在本实施例中，通过上述步骤101～104的分析之后，可以得出当前宇航用SiP器件各类潜在失效模式，从而可以进一步得到当前宇航用SiP器件的薄弱环节，指导生产单位进行设计改进。同时，对于新出现的可靠性隐患可以设计出新的试验方案对其进行质量保证；对于已交付用户的产品，可以提供使用补偿措施，即该类元器件在使用环境，外界应力的限制，可以更有效的防止器件在使用时对更高一级的系统造成影响。

综上所述，本发明所述的宇航用SiP器件的FMEA分析方法，提供了一种适合宇航级元器件应用的FMEA分析方法：通过对SiP进行单元分解，并对每一潜在故障模式进行分析，从而得到该款器件的FMEA的分析结论，为质量保证工作提供了有效的技术支撑；其次，可对生产设计单位提出技术改进方案，同时可对用户提出该SiP在应用过程中需注意的设计方向。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种宇航用SiP器件的FMEA分析系统，包括：定义模块，用于根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义；分析模块，用于对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式；以及，对各潜在失效模式进行失效原因和机理分析，得到第一分析结果；以及，对各潜在失效模式进行故障影响和严酷度分析，得到第二分析结果；结果输出模块，用于根据所述第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种宇航用SiP器件的FMEA分析方法，其特征在于，包括：

根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义；包括：对宇航用SiP器件按组成功能进行结构单元分解，将宇航用SiP器件分解为封装体和内部元器件两部分；将封装体按层次分解为：陶瓷外壳、盖板、LTCC基板和键合丝；将内部元器件层次分解为：ASIC芯片、总线驱动芯片、薄膜电阻片和独石电容；

采用无损检测和有损检测对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式；其中，无损检测包括：外观检查和电性能检查；有损检测包括：破坏性物理分析、结构分析，针对器件内部结构进行检查；

对各潜在失效模式进行失效原因和机理分析，得到第一分析结果；

对各潜在失效模式进行故障影响和严酷度分析，得到第二分析结果；

根据所述第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表；包括：针对当前宇航用SiP器件的各个模块的潜在失效模式，对故障原因、机理、影响以及设计改进措施和使用补偿措施进行分析总结，列出最终的FMEA分析结果表并输出；

根据潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果，进行前位识别，将当前宇航用SiP器件质保方案与所述潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果进行对比，根据对比结果确定检测漏洞；

其中：

所述对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式，包括：根据陶瓷外壳的材料属性及陶瓷外壳对应的历史失效案例，确定陶瓷外壳存在的第一潜在失效模式；根据盖板的材料属性及盖板对应的历史失效案例，确定盖板存在的第二潜在失效模式；根据LTCC基板的材料属性及力热试验、可靠性试验中的历史失效案例，确定LTCC基板存在的第三潜在失效模式；根据键合丝的可靠性试验数据及键合丝对应的历史失效案例，确定键合丝存在的第四潜在失效模式；根据ASIC芯片和总线驱动芯片的功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，确定ASIC芯片和总线驱动芯片存在的第五潜在失效模式；根据薄膜电阻片的生产工艺、功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，确定薄膜电阻片存在的第六潜在失效模式；根据独石电容的应用案例及可靠性试验，确定独石电容存在的第七潜在失效模式；

第一潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：开裂、绝缘电阻失效、短路、开路、外引线脱落失效、电镀层锈蚀和密封性；第二潜在失效模式包括：弯曲变形；第三潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：基板附着力下降、基板焊接可靠性下降、基片开裂和开路；第四潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：键合力下降、脱键和键合引线失效；第五潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：短路、电参数退化、金属化互联线开路或高阻和无输出；第六潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：开路和阻值超差；第七潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：开路、短路和参数漂移。

2.根据权利要求1所述的宇航用SiP器件的FMEA分析方法，其特征在于，还包括：

根据潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果，确定宇航用SiP器件的薄弱环节，以反馈到设计生产单位，为产品改进提供依据。

3.根据权利要求1所述的宇航用SiP器件的FMEA分析方法，其特征在于，所述第二分析结果，包括：宇航用SiP器件故障影响与严酷度类别之间的对应关系；其中，宇航用SiP器件功能失效对应第I类严酷度，宇航用SiP器件功能部分失效对应第II类严酷度，宇航用SiP器件参数超差对应第III类严酷度。

4.一种宇航用SiP器件的FMEA分析系统，其特征在于，包括：

定义模块，用于根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义；

分析模块，用于采用无损检测和有损检测对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式；以及，对各潜在失效模式进行失效原因和机理分析，得到第一分析结果；以及，对各潜在失效模式进行故障影响和严酷度分析，得到第二分析结果；以及，根据潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果，进行前位识别，将当前宇航用SiP器件质保方案与所述潜在失效模式、第一分析结果和第二分析结果进行对比，根据对比结果确定检测漏洞；其中，无损检测包括：外观检查和电性能检查；有损检测包括：破坏性物理分析、结构分析，针对器件内部结构进行检查；

结果输出模块，用于根据所述第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表；

其中：

定义模块在根据宇航用SiP器件的组成结构，对宇航用SiP器件的各个模块进行层次定义时，包括：对宇航用SiP器件按组成功能进行结构单元分解，将宇航用SiP器件分解为封装体和内部元器件两部分；将封装体按层次分解为：陶瓷外壳、盖板、LTCC基板和键合丝；将内部元器件层次分解为：ASIC芯片、总线驱动芯片、薄膜电阻片和独石电容；

结果输出模块在根据所述第一分析结果和第二分析结果，输出FMEA分析结果表时，包括：针对当前宇航用SiP器件的各个模块的潜在失效模式，对故障原因、机理、影响以及设计改进措施和使用补偿措施进行分析总结，列出最终的FMEA分析结果表并输出；

分析模块在对宇航用SiP器件的各个模块进行潜在失效模式分析，确定宇航用SiP器件的各个模块存在的潜在失效模式时，包括：根据陶瓷外壳的材料属性及陶瓷外壳对应的历史失效案例，确定陶瓷外壳存在的第一潜在失效模式；根据盖板的材料属性及盖板对应的历史失效案例，确定盖板存在的第二潜在失效模式；根据LTCC基板的材料属性及力热试验、可靠性试验中的历史失效案例，确定LTCC基板存在的第三潜在失效模式；根据键合丝的可靠性试验数据及键合丝对应的历史失效案例，确定键合丝存在的第四潜在失效模式；根据ASIC芯片和总线驱动芯片的功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，确定ASIC芯片和总线驱动芯片存在的第五潜在失效模式；根据薄膜电阻片的生产工艺、功能、应用情况、可靠性试验及历史失效案例，确定薄膜电阻片存在的第六潜在失效模式；根据独石电容的应用案例及可靠性试验，确定独石电容存在的第七潜在失效模式；

第一潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：开裂、绝缘电阻失效、短路、开路、外引线脱落失效、电镀层锈蚀和密封性；第二潜在失效模式包括：弯曲变形；第三潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：基板附着力下降、基板焊接可靠性下降、基片开裂和开路；第四潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：键合力下降、脱键和键合引线失效；第五潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：短路、电参数退化、金属化互联线开路或高阻和无输出；第六潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：开路和阻值超差；第七潜在失效模式包括如下模式中的至少一种：开路、短路和参数漂移。

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