CN115618674A - 一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法 - Google Patents

一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法 Download PDF

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CN115618674A CN202211246938.2A CN202211246938A CN115618674A CN 115618674 A CN115618674 A CN 115618674A CN 202211246938 A CN202211246938 A CN 202211246938A CN 115618674 A CN115618674 A CN 115618674A
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张跃平
侯传涛
程昊
王龙
童军
刘武刚
徐静
李尧
李志强
高魁垠
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Abstract

本申请提供了一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法，该方法通过建立微电子封装结构有限元模型，在保证计算精度的前提下，尽量简化模型有限元网格模型。通过仿真分析确定微电子结构的失效模型，对关心区域节点的输出功率谱密度数据进行批处理，采用频域法的窄带分布法和宽带分布法对全部焊点进行寿命分析，确定宽窄带分布法的适用范围与焊点位置关系，最终形成基于仿真的随机振动载荷下微电子封装结构寿命计算方法。从而可以在设计阶段或者随机振动疲劳试验前，开展预示分析，提高实物试验的效率和水平，支撑飞行器电子设备的研制需求。

Description

一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法
技术领域
本申请涉及行器微电子封装可靠性技术领域，具体涉及一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法。
背景技术
随着飞行器的服役环境更加严酷和极端，以及电子设备本身的小型化和精密化，随机振动载荷引起的微电子封装结构故障已经成为飞行器功能失效的主要原因之一。
通常在电子器件的研制过程中，为了提高结构的设计水平，加强试验验证的有效性，在试验之前需要开展结构的虚拟仿真分析工作，并对器件疲劳寿命进行预测。但是电子器件各部件尺寸相差较大，模型网格过于复杂增加仿真难度，并且目前也缺乏基于仿真的随机振动载荷下微电子封装结构寿命计算方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提出了一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法，用于电子设备的易损伤失效位置定位和寿命评估预测，涉及对微电子封装模型的简化有限元建模方法和一种随机振动载荷下微电子封装结构的寿命计算方法，可用于开展飞行器内部电子元器件环境条件制定、结构强度评估等分析与试验预示方面的研究，为多种不同层次不同类型封装结构试验和设计提供技术支撑。本申请所采用的技术方案如下：
一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法，该测试方法包括：
步骤1、基于试验装置来建立微电子封装结构的有限元模型；
步骤2、在保证计算精度的前提下，简化有限元模型；
步骤3、执行微电子封装结构的寿命预测分析。
进一步的，在步骤1中，所述微电子封装结构包括印刷电路板、封装互连结构以及电子元器件，其中封装互连结构分为单一或多种成分的钎料。
进一步的，所述试验装置中，通过在固支位置施加随机振动载荷，经过预设施加时间后，测量焊点的损伤程度以及损伤焊点分布情况，并根据损伤程度和损伤焊点分布情况来确定损伤程度与随机振动载荷的施加时间之间的关系，以计算随机振动载荷下微电子封装结构的寿命。
进一步的，所述微电子封装结构有限元模型包括电子元件、封装互连材料以及印刷电路板。
进一步的，在步骤2中，所述简化有限元模型，包括：综合考虑计算效率与精度，对相对于焊点尺寸的大部件模型采用计算效率高的壳单元；在远离焊点区域增大网格尺寸，在靠近焊点区域加密网格尺寸。
进一步的，在步骤3中，所述寿命预测分析，包括：
步骤301、输出各个焊点Rmises应力云图，确定易损坏焊点位置，获得微电子封装结构的损伤失效模式；
步骤302、基于幅值分布开展微电子封装结构的寿命预测分析，获得随机振动载荷下的结构损伤寿命。
进一步的，对所述关心的焊点的输出功率谱密度数据进行批处理，采用频域法对全部焊点进行寿命分析。
进一步的，焊点采用实体单元网格以减少焊点数量，并在关心的焊点模型加密网格。
进一步的，在大尺寸部件和小尺寸部件采用过渡网格。
进一步的，所述大尺寸部件为小尺寸部件的十倍以上；所述关心的焊点为应力应变值大的易损坏焊点。
通过本申请实施例，可以获得如下技术效果：通过简化模型网格，在保证仿真效率的前提下，提高了仿真精度，并基于仿真结果，采用幅值分布法对封装结构进行寿命预测，预测结果在合理范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为微电子封装结构的示意图；
图2为微电子封装有限元模型的示意图；
图3为随机振动载荷功率谱的示意图；
图4为BGA封装结构有限元网格模型图；
图5为随机振动载荷下封装结构寿命预测结果；
图6为微电子封装结构寿命计算方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为微电子封装的结构示意图，图6为微电子封装结构寿命计算方法的流程图。该方法包括如下步骤：
步骤1、基于试验装置来建立微电子封装结构的有限元模型；
所述微电子封装结构包括印刷电路板、封装互连结构以及电子元器件，其中封装互连结构分为单一或多种成分的钎料；
所述试验装置中，通过在固支位置施加随机振动载荷，经过预设施加时间后，测量焊点的损伤程度以及损伤焊点分布情况，并根据损伤程度和损伤焊点分布情况来确定损伤程度与随机振动载荷的施加时间之间的关系，以计算随机振动载荷下微电子封装结构的寿命；
以上述试验装置为基础，建立微电子封装结构的有限元模型，如图2所示，所述微电子封装结构有限元模型包括电子元件、封装互连材料以及印刷电路板；
步骤2、在保证计算精度的前提下，简化有限元模型；
在步骤2中，所述简化有限元模型，包括：综合考虑计算效率与精度，对相对于焊点尺寸的大部件模型(例如印刷电路板板、芯片)采用计算效率高的壳单元；在远离焊点区域增大网格尺寸，在靠近焊点区域加密网格尺寸；焊点采用实体单元网格以减少焊点数量，并在关心的焊点模型加密网格；在大尺寸部件和小尺寸部件采用过渡网格；所述大尺寸部件为小尺寸部件的十倍以上；所述关心的焊点为应力应变值大的易损坏焊点；最终在保证计算精度的前提下，提高运算效率。
步骤3、执行微电子封装结构的寿命预测分析；
在步骤3中，所述寿命预测分析，包括：
步骤301、输出各个焊点Rmises应力云图，确定易损坏焊点位置，获得微电子封装结构的损伤失效模式；
步骤302、基于幅值分布开展微电子封装结构的寿命预测分析，获得随机振动载荷下的结构损伤寿命。
对关心区域节点的输出功率谱密度数据进行批处理，采用频域法对全部焊点进行寿命分析。
本实施例是典型BGA封装电路板结构的随机振动载荷试验，载荷如图3所示。建立BGA封装结构有限元模型，简化微电子封装仿真网格模型如图4所示，并对各个焊点进行Rmises应力输出，基于宽窄带法进行寿命计算结果如图5所示，并与封装结构常用的三区间法进行对比验证。从计算结果可以看出，采用本方法对微电子封装随机振动载荷试验进行预示，可以达到良好的预示效果。
综上所述，本申请通过建立微电子封装结构有限元模型，在保证计算精度的前提下，尽量简化模型有限元网格模型。通过仿真分析确定微电子结构的失效模型，对关心区域节点的输出功率谱密度数据进行批处理，采用频域法的窄带分布法和宽带分布法对全部焊点进行寿命分析，确定宽窄带分布法的适用范围与焊点位置关系，最终形成基于仿真的随机振动载荷下微电子封装结构寿命计算方法。从而可以在设计阶段或者随机振动疲劳试验前，开展预示分析，提高实物试验的效率和水平，支撑飞行器电子设备的研制需求。
虽然以上描述了本申请的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本申请的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本申请的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于仿真模拟的微电子封装结构寿命计算方法，其特征在于，该测试方法包括：
步骤1、基于试验装置来建立微电子封装结构的有限元模型；
步骤2、在保证计算精度的前提下，简化有限元模型；
步骤3、执行微电子封装结构的寿命预测分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述微电子封装结构包括印刷电路板、封装互连结构以及电子元器件，其中封装互连结构分为单一或多种成分的钎料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试验装置中，通过在固支位置施加随机振动载荷，经过预设施加时间后，测量焊点的损伤程度以及损伤焊点分布情况，并根据损伤程度和损伤焊点分布情况来确定损伤程度与随机振动载荷的施加时间之间的关系，以计算随机振动载荷下微电子封装结构的寿命。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述微电子封装结构有限元模型包括电子元件、封装互连材料以及印刷电路板。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，所述简化有限元模型，包括：综合考虑计算效率与精度，对相对于焊点尺寸的大部件模型采用计算效率高的壳单元；在远离焊点区域增大网格尺寸，在靠近焊点区域加密网格尺寸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，所述寿命预测分析，包括：
步骤301、输出各个焊点Rmises应力云图，确定易损坏焊点位置，获得微电子封装结构的损伤失效模式；
步骤302、基于幅值分布开展微电子封装结构的寿命预测分析，获得随机振动载荷下的结构损伤寿命。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述关心的焊点的输出功率谱密度数据进行批处理，采用频域法对全部焊点进行寿命分析。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，焊点采用实体单元网格以减少焊点数量，并在关心的焊点模型加密网格。
9.根据权利要求5或8之一所述的方法，其特征在于，在大尺寸部件和小尺寸部件采用过渡网格。
10.根据权利要求5或8之一所述的方法，其特征在于，所述大尺寸部件为小尺寸部件的十倍以上；所述关心的焊点为应力应变值大的易损坏焊点。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117408122A (zh) * 2023-12-12 2024-01-16 武创芯研科技(武汉)有限公司 随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统
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