CN112016227A - 一种SiP微系统的可靠性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠SiP的可靠性分析方法与流程，属于半导体可靠性分析领域。可靠性分析方法包括以下步骤：根据设计规则建立有限元分析模型；建立材料库，赋予各部件材料属性；进行网格划分与接触设置；依据第一种考核试验条件，搭建仿真链路，设置合理边界条件，施加试验载荷，求解计算，根据失效判据分析结果；搭建仿真链路，依次进行所有考核试验项的仿真计算并根据失效判据分析结果；根据分析结果寻找薄弱环节，为设计改进与器件应用提供指导建议。针对高可靠SiP微系统，搭建仿真链路实现多个工况的横向联动，增强SIP模块可靠性分析的全面性、系统性，最后让可靠性分析的结果作用于设计改进与应用指导。
Description
技术领域
本发明涉及半导体可靠性分析技术领域，特别与一种SiP微系统的可靠性分析方法相关。
背景技术
系统级封装（SiP，System in Package）技术是一种将不同功能的元器件，通过不同技术混合装载到同一封装之内，并由此提供系统级或子系统级功能的集成封装形式。SiP作为在系统层面上延续摩尔定律的技术路线，是满足航天电子产品集成化、小型化的重要手段。
高可靠性是半导体器件稳定运行、发挥功能的保证，宇航和军用器件在工作过程中都要经历严苛的力学环境，因此，封装与管壳设计时必须通过可靠性分析保证结构高可靠性。可靠性分析是SiP微系统模块设计阶段的重要环节，其工程意义在于验证设计合理性、预测风险点、为设计改进与器件应用提供建议指导，同时，与复杂昂贵的试验手段相比，可缩短研制周期降低研制成本。
基于有限单元法的数值仿真是可靠性分析的主要手段，可靠性仿真需要建立准确而精细的三维模型、划分规整有序且疏密适宜的有限单元格、施加等效度高的边界条件、设置合理而精细的求解条件，四者均直接影响分析结果，因此高可靠性仿真研究有一定挑战。
现有的分析方法没有专门针对SiP微系统结构的建模及网格设置方式，在进行链路搭建及仿真时存在报错、无法执行，及计算量过大得稳定；并且现有的方法通常是针对某一具体工况进行分析，仅从单一方面评价SiP可靠性，且未根据SiP微系统结构特点进行详细分析。因此针对高可靠SiP微系统，一套系统全面、行之有效的可靠性评价与分析方法是很有必要的。
发明内容
针对现有技术中SiP微系统模块可靠性分析全面性不足、针对性不强等问题，本发明提供一种SiP微系统可靠性分析方法，尤其针对高可靠SiP微系统，增强SiP微系统模块可靠性分析的全面性、系统性，最后让可靠性分析的结果作用于设计改进与应用指导，充分体现可靠性分析的工程意义。
为了实现本发明的目的，拟采用以下技术方案：
一种SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于，包括步骤：
根据SiP微系统的设计，建立SiP微系统的有限元分析模型；
建立材料库，并为模型各部件赋予材料属性；
进行网格划分与接触设置；
依据第一种考核试验项，搭建仿真链路、设置边界条件、施加试验载荷、求解计算，根据失效判据分析结果；
依次按照搭建仿真链路、设置边界条件、施加试验载荷、求解计算的方式进行其他所有考核试验项的仿真，并根据失效判据分析结果；
根据分析结果对SiP微系统的可靠性进行评估，寻找薄弱环节，为设计改进与器件应用提供指导建议。
在一些可选实施例中，考核试验项包括GJB548B微电子器件试验方法和程序中规定的热应力、恒定加速度、机械冲击、随机振动、扫频振动、温度循环、特定应用工况中两种以上；
仿真链路是指在ANSYS Workbench中实现模型与结果共享，实现模块间的横向联动；
设置边界条件是指根据GJB548B微电子器件试验方法和程序中相应考核方法和SiP微系统模块结构，施加与实际工况匹配度的约束条件；
根据失效判据分析结果是指将受力变形结果与对应部件材料属性或结构设计尺寸所允许的最大值进行对比来判断可靠性或者计算安全系数。
在一些可选实施例中，根据SiP微系统的设计，建立SiP微系统的有限元分析模型，包括：按照SiP的管壳设计和器件布局进行建模；
其中，对于不同的部件利用不同的计算机辅助软件建模：
管壳、芯片导电胶、外引脚在ANSYS Workbench中直接建立；
键合丝在高频结构仿真软件HFSS中通过内部集成的键合丝建模模块建立，并在HFSS输出可与ANSYS Workbench数据交换的格式后导入ANSYS Workbench以实现模型集成。
在一些可选实施例中，材料库的建立通过ANSYS Workbench的Engineer Data实现，建立材料名称，并输入各项材料参数，材料参数包括：密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、屈服强度中一种或多种。
在一些可选实施例中，接触设置，包括：根据SiP微系统的nm级工艺，按状态非线性-接触的处理方式设置接触面识别范围尺寸，并设置法向接触刚度因子。
在一些可选实施例中，在进行网格划分时，根据各部件尺寸及受力关注点进行局部网格控制，网格尺寸控制通过Mesh-Insert-Sizing/Refinement实现；
网格划分结束后，通过将Setup作为Finite Element Modeler的输入实现ANSYSWorkbench有限元模型报告的提取；
提取的报告，包括网格划分结果，网格划分结果包括单元类型、节点数量、单元数量中一种或多种；
提取的报告，用于在不同有限元分析软件进行模型传递与数据交换时提供参考；并用于提供模型信息，以进行评估模型、查找问题、修正模型。
在一些可选实施例中，搭建仿真链路时，基于模型共享、材料属性赋予、网格划分的前处理结果，通过包括Modal模态分析、Random Vibration随机振动分析、TransientStructural瞬态分析在内的模块，进行仿真链路搭建；其中，模态分析的结果作为随机振动分析的输入，即在ANSYS Workbench中Modal的Solution作为Random Vibration的setup。
在一些可选实施例中，以考核试验项作为分析，选择Static Structural模块，将Engineer Data、Model、Geometry作为其输入，直接实现数据传递；
设置边界条件并施加试验载荷，采用GJB548B方法中对应考核试验项进行分析条件及约束条件设置，
求解并进行计算，求解完成后，查看结果，根据失效分析判据进行结果分析。
在一些可选实施例中，约束条件为PCB下表面固定，以模拟测试时SiP微系统的板级测试样品PCB板被固定或紧贴测试夹具的情形。
在一些可选实施例中，对于BGA封装的SiP微系统，对基板、芯片、导电胶、焊盘、焊球、PCB逐一查看其受力与变形，并将各自材料的屈服强度、拉伸率作为失效判据，与之进行对比，进行分析。
本发明的有益效果：
1）包括搭建仿真链路实现多个工况的横向联动，增强SiP微系统模块可靠性分析的全面性、系统性，最后让可靠性分析的结果作用于设计改进与应用指导；
2）区别于利用ANSYS Multiphysics模块进行多种工况下的可靠性分析需要建立多个工程文件，通过在ANSYS Workbench中搭建仿真链路实现模型与结果共享，实现模块间的横向联动，提高可靠性分析效率；
3）通过网格尺寸控制实现方式，及报告输入提取方式，及状态状态非线性-接触的处理方式设置接触面识别范围尺寸和法向接触刚度因子，使得模型在后续计算中基本无任何警告和错误，计算效率高；网格的分区域划分，和整体统一尺寸划分相比，将相同工况的计算时间从6h缩小到0.5h，接触刚度因子的设置使相同工况下的应力由不符合实际的几十GPa降低到合理范围的几十MPa；
4）按照SiP的管壳设计和器件布局进行建模，采用“自下而上、分部建模、统一集成”的思想进行三维模型建立‘管壳、芯片导电胶、外引脚在Ansys Workbench中直接建立，键合丝在高频结构仿真软件HFSS中通过内部集成的键合丝建模模块快速建立，HFSS支持输出多种格式的三维模型，如stp、x_t等，方便实现与ANSYS workbench的数据交换以进行模型集成；
5）对于BGA封装的SiP，需对基板、芯片、导电胶、焊盘、焊球、PCB逐一查看其受力与变形，并将各自材料的屈服强度、拉伸率作为失效判据，与之进行对比，进行仔细分析，获得的分析结果更加具有工程参考意义。
附图说明
本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。
图1为本发明实施例的SiP微系统的可靠性分析方法流程图。
图2为本发明实施例的SiP微系统结构模型。
图3为本发明实施例的仿真链路示意。
图4为本发明实施例的加载示意图。
图5为本发明实施例的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，SiP微系统的可靠性分析方法包括以下步骤：
S11、根据设计规则建立有限元分析模型；
S12、建立材料库，赋予各部件材料属性；
S13、进行网格划分与接触设置；
S14、依据第一种考核试验条件，搭建仿真链路，设置合理边界条件，施加试验载荷，求解计算，根据失效判据分析结果；
S15、S16搭建仿真链路，依次进行所有考核试验项的仿真计算并根据失效判据分析结果；
S17、根据分析结果寻找薄弱环节，为设计改进与器件应用提供指导建议。
在建立所述有限元模型时，由于SiP器件各部件尺寸跨度大，如键合丝直径为几十微米，焊球直径为几百微米，管壳外形尺寸为几十毫米级。针对此，本实例分别利用不同的CAD（Computer - Aided Design）软件建模，采用“自下而上、分部建模、统一集成”的思想进行三维模型建立。
在网格划分时，单元数量决定着计算效率，单元质量决定着计算精度，由于SiP器件各部件尺寸跨度大，针对此，本实例并不采用全局自动网格划分，而是根据各部件尺寸及受力关注点进行局部网格控制。
根据SiP的结构尺寸特点，本实例中的接触设置主要是指状态非线性-接触的处理，即设置合理接触识别尺寸，避免出现不符合实际情况的接触，造成计算结果出现很大偏差。
接触设置还包括设置法向接触刚度因子，以避免刚度太大，不容易收敛，计算时会出现警告（warnings）甚至错误（errors）的情况。
仿真链路是指在ANSYS Workbench中实现模型与结果共享，实现模块间的横向联动。
设置合理边界条件是指根据GJB548B《微电子器件试验方法和程序》中相应考核方法和SiP模块结构特点，施加与实际工况匹配度尽可能高的约束条件。不同器件，夹持方法不一样。
根据失效判据分析结果是指将受力变形结果与对应部件材料属性或结构设计尺寸所允许的最大值进行对比来判断可靠性或者计算安全系数。
所有考核试验项通常包括GJB548B《微电子器件试验方法和程序》中规定的热应力、恒定加速度、机械冲击、随机振动、扫频振动、温度循环等考核项以及该SiP模块特定应用工况。
指导建议一方面为加固薄弱环节，增强可靠性；一方面为，若设计余量较大，可在轻量化与可靠性约束下进行尺寸优化。
下面结合具体的使用过程对本实例进行展开描述。
其中，图2所示为两种常见的高可靠SiP微系统结构，各子芯片（chip），均采用导电胶(die attach)固定于基板(substrate)上，塑封BGA封装，如图2（a），是通过ball与PCB互联；陶瓷CQFP封装，如图2（b），是通过鸥翼型外引脚PIN实现板级应用。
S11、根据SiP微系统结构的设计规则建立有限元分析模型。
在有限元软件中，按照SiP的管壳设计和器件布局进行建模。
管壳、芯片导电胶、外引脚可在Ansys Workbench中直接建立，键合丝可在高频结构仿真软件（HFSS，High Frequency Structure Simulator）种通过内部集成的键合丝建模模块快速建立。HFSS支持输出多种格式的三维模型，如stp、x_t等，可实现与ANSYSworkbench的数据交换，从而实现模型集成。
S12、建立材料库，赋予各部件材料属性。
各项性能优异的封装材料是实现高可靠SiP封装结构的基础，SiP中各部件的材料属性作为其最基本的物理属性，直接影响SiP的机械、导热及电学性能。
材料库的建立在ANSYS Workbench的Engineer Data中实现的，建立材料名称，输入各项材料参数，包括密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、屈服强度等。
S13、进行网格划分与接触设置。
有限元分析的前提是将连续体划分为有限个离散单元，单元数量决定着计算效率单元质量决定着计算精度，网格划分至关重要。
针对本实例的仿真对象SiP微系统，其PCB板中心放置器件，中心网格密度高，存在大量焊盘与PCB板的接触，加密网格以保证计算精度；而边缘区域，不存在受力变化较大的问题，减低网格密度，以提高计算效率。
焊点失效是BGA封装的主要失效形式，锡球为主要关注对象，要求计算精度高，同时，锡球直径为0.6mm，量级较小，对其进行网格尺寸控制。网格尺寸控制可通过Mesh-Insert-Sizing/Refinement实现。网格划分结束，通过将Setup作为Finite ElementModeler的输入实现ANSYS workbench有限元模型报告(Summary)的提取。提取出的报告中包含单元类型、节点数量、单元数量等详细网格划分结果。该报告可以在不同有限元分析软件，如ANSYS、 NASTRAN、 ABAQUS等进行模型传递与数据交换时提供参考，同时，可以提供详细的模型信息，方便评估模型，查找问题，修正模型。
在有限元计算中，非线性处理往往是确保收敛和计算精度的主要因素。本实施例是状态非线性-接触的处理。首先，设置接触面识别范围尺寸，比如，此处设为10nm，由于SiP的工艺都是nm级别，可以防止从DM模块导入的模型在默认设置接触面时出现两个本无接触关系的面定义为接触。其次，在接触设置中进行法向接触刚度因子设置，刚度太大，不容易收敛，计算时会出现警告（warning）；本实例中此处法向接触刚度因子设置为0.01。
基于以上网格划分和处理，本实例所建立的有限元模型在后续计算中无任何警告和错误，且计算效率高；并且，本实例的网格的分区域划分，和整体统一尺寸划分相比，将相同工况的计算时间从6h缩小到0.5h，接触刚度因子的设置使相同工况下的应力由不符合实际的几十GPa降低到合理范围的几十MPa。
S14、依据第一种考核试验条件，搭建仿真链路，设置合理边界条件，施加试验载荷，求解计算，根据失效判据分析结果。
可靠性是半导体器件稳定运行、发挥功能的保证，宇航用高可靠SiP的力学环境更为严苛。在管壳设计过程中，依据军用器件质量保证要求GJB548B微电子器件试验方法和程序进行恒定加速度、机械冲击、随机振动、正弦低频振动、温度循环、常见及可预见失效模式下的仿真分析与审慎评估。通过仿真评估能够在设计初期识别风险点，在保证芯片技术指标和质量特性满足应用需求的前提下降低芯片设计和研制成本。
本实例中以恒定加速度工况下的分析过程为例说明特定工况下的分析。
首先，基于网格划分与非线性处理等前处理结果搭建仿真链路。恒定加速度为静力分析，选择“Static Structural”模块，将“Engineer Data”、“Model”、“Geometry”作为其输入，直接实现数据传递。
其次，设置合理边界条件并施加载荷，采用GJB548B方法2001进行恒定加速度预分析，分析条件为Y1和Y2方向，加速度为3000G和5000G（条件A）。约束条件为PCB下表面固定，以模拟测试时SiP板级测试样品紧贴测试夹具的情形。
图4为ANSYS workbench中恒定加速度的边界与加载示意图，A代表Fixedsupport，即固定表面，图中显示固定面为下表面，B代表施加的Accelatation,即加速度，方向垂直PCB板面向上，大小为3000g=29400m/s2。
然后，进行求解设置并进行计算，此处求解时间设置为1s，载荷步设置为自动载荷步。计算时可随时监测求解进程。最后，求解完成后，查看结果，根据失效分析判据进行结果分析。
除关注全局结果外，还应局部分析，对于BGA封装的SiP，需对基板、芯片、导电胶、焊盘、焊球、PCB逐一查看其受力与变形，并将各自材料的屈服强度、拉伸率作为失效判据，与之进行对比，进行仔细分析。
从图5（a）~（c）可以看出，在Y1方向承受3000G加速度时，焊球最大应力出现在最外围，应力值为2.3MPa，小于焊球屈服变形强度（45MPa），不存在强度失效风险，芯片/导电胶和基板的最大应力值为3.13MPa，出现在基板底部，这三种材料中，导电胶的屈服强度最小为14.6MPa，所以不存在强度失效风险。PCB板最大应力为1.19MPa，远小于材料屈服变形强度（200MPa），不存在强度失效风险。
S15、S16搭建仿真链路，依次进行所有考核试验项的仿真计算并根据失效判据分析结果。
如图3所示，包括图3(a)~3(c)，通过B（modal）模态分析、D（Random Vibration）随机振动分析、G（Transient Structural）瞬态分析等模块的建立实现仿真链路的搭建。随机振动分析中必须用到结构的固有特性，即模态信息，因此模态分析的结果要做为随机振动的输入，在ansys workbench中Modal的Solution作为Random Vibration的setup，除此之外，其余模块之间共享模型、材料和网格划分等前处理结果。
采用GJB548B方法2026进行随机振动仿真分析。分析条件分别按照23.9g(条件G)和46.3g(条件K)进行，建模时对PCB板下表面进行固定，以模拟实际应用环境中PCB板被固定的情形。
根据规定的随机振动功率谱密度曲线施加载荷曲线，以规范曲线为例，100-1000Hz时，功率谱密度为100(m/s2)2，斜率为6dB/倍频，根据以下公式可计算出50Hz和2000Hz时的功率谱密度为25(m/s2)2：
其中，Ai为功率谱密度，fi为振动频率，因此，在随机振动模块通过以下列表施加载荷曲线：
采用GJB548B方法2002进行机械冲击仿真分析。分析条件按照条件B，即峰值加速度1500g（14700m/s2）, 脉冲宽度0.5ms，因此其加速度的正弦载荷为14700sin(360000t)，约束条件为PCB板下表面进行固定，以模拟实际应用环境中PCB板被固定的情形。
所有工况的结果分析与S14类似。
S17、根据分析结果寻找薄弱环节，为设计改进与器件应用提供指导建议。
应用建议：对于CQFP器件，通常在板级应用时，引脚和焊料热膨胀系数差距最大，最大应力出现在引脚处，尤其出现在引脚第二弯曲处，这是引脚和焊料接触最“尖锐”的地方，因此很容易产生应力集中，建议在板级应用时，通过点胶进行力学加固。无论是力学仿真和热学仿真的结果都指出，芯片使用环氧进行加固使得引线受力变小，焊点受力变小，焊点变形变小，芯片抗力学能力更强；环氧于芯片的底部填充限制了PCB与芯片本体的相对变形，从而降低了焊点的应力应变水平，芯片抗热学性能更强。值得注意的是从热学仿真的结论得出S113包封引脚及焊点，PCB与芯片本体的变形无法通过引脚得到释放，焊点应力应变水平较高，这对后续试验方案的确定有重要的参考意义。
设计改进：若盖板应力与变形较大，则可对盖板结构及尺寸进行优化设计。同时，为平衡结构刚度与器件质量，可对加强筋尺寸优化，仿真发现采用宽度较大的加强筋，会大大降低应力集中地现象，但宽度大会增加器件质量，因此需要在两者之间做平衡。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于，包括步骤：
根据SiP微系统的设计，建立SiP微系统的有限元分析模型；
建立材料库，并为模型各部件赋予材料属性；
进行网格划分与接触设置；
依据第一种考核试验项，搭建仿真链路、设置边界条件、施加试验载荷、求解计算，根据失效判据分析结果；
依次按照搭建仿真链路、设置边界条件、施加试验载荷、求解计算的方式进行其他所有考核试验项的仿真，并根据失效判据分析结果；
根据分析结果对SiP微系统的可靠性进行评估，寻找薄弱环节，为设计改进与器件应用提供指导建议。
2.根据权利要求1所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：
考核试验项包括GJB548B微电子器件试验方法和程序中规定的热应力、恒定加速度、机械冲击、随机振动、扫频振动、温度循环、特定应用工况中两种以上；
仿真链路是指，在ANSYS Workbench中实现模型与结果共享，实现模块间的横向联动；
设置边界条件是指，根据GJB548B微电子器件试验方法和程序中相应考核方法和SiP微系统模块结构，施加与实际工况匹配度的约束条件；
根据失效判据分析结果是指，将受力变形结果与对应部件材料属性或结构设计尺寸所允许的最大值进行对比来判断可靠性或者计算安全系数。
3.根据权利要求1所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：根据SiP微系统的设计，建立SiP微系统的有限元分析模型，包括：按照SiP的管壳设计和器件布局进行建模；
其中，对于不同的部件利用不同的计算机辅助软件建模：
管壳、芯片导电胶、外引脚在ANSYS Workbench中直接建立；
键合丝在高频结构仿真软件HFSS中通过内部集成的键合丝建模模块建立，并在HFSS输出可与ANSYS Workbench数据交换的格式后导入ANSYS Workbench以实现模型集成。
4.根据权利要求1所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：材料库的建立通过ANSYS Workbench的Engineer Data实现，建立材料名称，并输入各项材料参数，材料参数包括：密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、屈服强度中一种或多种。
5.根据权利要求1所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：接触设置，包括：根据SiP微系统的nm级工艺，按状态非线性-接触的处理方式设置接触面识别范围尺寸，并设置法向接触刚度因子。
6.根据权利要求1所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：
在进行网格划分时，根据各部件尺寸及受力关注点进行局部网格控制，网格尺寸控制通过Mesh-Insert-Sizing/Refinement实现；
网格划分结束后，通过将Setup作为Finite Element Modeler的输入实现ANSYSWorkbench有限元模型报告的提取；
提取的报告，包括网格划分结果，网格划分结果包括单元类型、节点数量、单元数量中一种或多种；
提取的报告，用于在不同有限元分析软件进行模型传递与数据交换时提供参考；并用于提供模型信息，以进行评估模型、查找问题、修正模型。
7.根据权利要求2所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：搭建仿真链路时，基于模型共享、材料属性赋予、网格划分的前处理结果，通过包括Modal模态分析、RandomVibration随机振动分析、Transient Structural瞬态分析在内的模块，进行仿真链路搭建；其中，模态分析的结果作为随机振动分析的输入，即在ANSYS Workbench中Modal的Solution作为Random Vibration的setup。
8.根据权利要求7所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：
以考核试验项作为分析，选择Static Structural模块，将Engineer Data、Model、Geometry作为其输入，直接实现数据传递；
设置边界条件并施加试验载荷，采用GJB548B方法中对应考核试验项进行分析条件及约束条件设置，
求解并进行计算，求解完成后，查看结果，根据失效分析判据进行结果分析。
9.根据权利要求8所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：约束条件为PCB下表面固定，以模拟测试时SiP微系统的板级测试样品PCB板被固定或紧贴测试夹具的情形。
10.根据权利要求8所述的SiP微系统的可靠性分析方法，其特征在于：对于BGA封装的SiP微系统，对基板、芯片、导电胶、焊盘、焊球、PCB逐一查看其受力与变形，并将各自材料的屈服强度、拉伸率作为失效判据，与之进行对比，进行分析。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113283133A (zh) * | 2021-05-17 | 2021-08-20 | 杜玉玲 | 一种基于ansys软件的传感器网格离散化误差评估方法 |
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2020
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