電子產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)與物理模型應(yīng)用探討

支 越，孫大鵬，王之哲，羅宏偉

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引言

隨著電子系統(tǒng)的快速增長(zhǎng)，半導(dǎo)體器件失效機(jī)理和模型選取依據(jù)成為電子行業(yè)的迫切需求。目前電子設(shè)備發(fā)展迅速，電子產(chǎn)品容量越來(lái)越大，生命周期越來(lái)越短，封裝形式也在不斷變化。相同的封裝可以包封類型和容量完全不同的器件，同一個(gè)器件也包括幾種不同的外形。不同供應(yīng)商的半導(dǎo)體器件形式、材料、結(jié)構(gòu)種類繁多，其對(duì)應(yīng)的失效隱患也多樣，包括點(diǎn)遷移、腐蝕、與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿、熱載流子注入、軟誤差等。

在進(jìn)行電子產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)與物理模型應(yīng)用時(shí)，需要先了解電子產(chǎn)品和產(chǎn)品經(jīng)歷的任務(wù)，即內(nèi)因不確定性和外因不確定性。內(nèi)因不確定性是指在由于工藝誤差等因素導(dǎo)致的產(chǎn)品參數(shù)波動(dòng)，包括尺寸、材料和特性參數(shù)。外因不確定性是指同一批次電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中由于完成的任務(wù)不同，使用的地區(qū)、季節(jié)不同，用戶使用方式不同而導(dǎo)致產(chǎn)品經(jīng)歷的環(huán)境應(yīng)力具有不確定性。根據(jù)電子產(chǎn)品業(yè)界的要求，迫切需要基于以上信息對(duì)產(chǎn)品的失效機(jī)理與失效模型進(jìn)行限定。

本文首先以電子產(chǎn)品的故障為出發(fā)點(diǎn)，從集成電路-封裝、集成電路-芯片、電路板(或線路板)、電子元件、系統(tǒng)和多系統(tǒng)的角度論述了不同任務(wù)環(huán)境下電子器件的故障機(jī)理特點(diǎn)；然后，系統(tǒng)論述了故障模式、影響及危害性分析(FMECA)和故障模式、機(jī)理與影響分析(FMMEA)等故障機(jī)理分析方法；最后，對(duì)故障物理元模型進(jìn)行梳理和探討，為電子產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)及失效物理評(píng)估模型的選取提供了依據(jù)。

1 電子產(chǎn)品的故障機(jī)理

1.1 集成電路-封裝相關(guān)故障機(jī)理

集成電路-封裝相關(guān)的故障機(jī)理主要關(guān)注封裝中相關(guān)基本互連、密封、載體構(gòu)件的故障問(wèn)題。因此國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究。Men等[1]提出了一種用于球柵陣列封裝焊點(diǎn)熱疲勞壽命預(yù)測(cè)的疲勞裂紋擴(kuò)展模型。陳穎等[2]建立了球柵陣列封裝焊點(diǎn)的三維有限元模型，通過(guò)分析焊點(diǎn)應(yīng)力分布和預(yù)測(cè)焊點(diǎn)熱疲勞模型，實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)壽命的快速工程估算。

整體看來(lái)，故障機(jī)理主要分為以下幾類：

1) 引線鍵合互連主要為拉伸疲勞、剪切疲勞、金屬間化合物、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、SDDV、應(yīng)力遷移、腐蝕等熱疲勞。

2) 焊球互連主要為熱疲勞、蠕變、振動(dòng)疲勞、電遷移、金屬間化合物、柯肯達(dá)爾效應(yīng)。

3) 塑封料主要為腐蝕、爆米花效應(yīng)、熱膨脹系數(shù)不匹配及α射線軟誤差等。

4) 硅芯片主要為芯片疲勞脆斷、鋁電極腐蝕等。

5) 芯片粘結(jié)膠主要為粘結(jié)層疲勞斷裂等。

1.2 集成電路-芯片相關(guān)故障機(jī)理

集成電路-芯片相關(guān)的故障機(jī)理主要關(guān)注芯片內(nèi)部的故障問(wèn)題。陳穎等[3]研究了芯片粘接層材料、粘結(jié)層厚度、粘結(jié)層空洞的面積、空洞的位置對(duì)芯片溫度分布以及芯片最高溫度造成的影響。總體看來(lái)，芯片相關(guān)故障主要包括熱載流子注入、TDDB、NBTI、界面效果、電遷移、金屬件化合物、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、ESD擊穿及二次擊穿等。故障機(jī)理如表1所示。

表1 集成電路-芯片相關(guān)的故障機(jī)理

1.3 電路板(或線路板)故障機(jī)理

電路板(或線路板)的故障機(jī)理主要關(guān)注板級(jí)的故障問(wèn)題。Chen等[4]介紹了在單板機(jī)上實(shí)現(xiàn)可靠性增強(qiáng)試驗(yàn)的過(guò)程，包括應(yīng)力分析、測(cè)試程序的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)參數(shù)的確定、數(shù)據(jù)的采集和分析。陳穎等[5-8]分析了PBGA 焊點(diǎn)設(shè)計(jì)及環(huán)境溫度參數(shù)對(duì)其可靠性的影響；對(duì)目前制造過(guò)程鍍通孔(多層印刷線路板各層提供電導(dǎo)通的結(jié)構(gòu))失效的機(jī)理與物理模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)；以某實(shí)驗(yàn)板為例進(jìn)行了實(shí)例分析，并對(duì)剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)；基于鍍通孔應(yīng)力分布模型，定量地研究了鍍通孔線路板厚度與鍍通孔直徑之比(高徑比)、鍍通孔半徑與鍍層厚度之比、線路板有效作用半徑與鍍通孔半徑之比等幾何設(shè)計(jì)參數(shù)以及線路板玻璃化溫度對(duì)鍍通孔鍍層應(yīng)變及壽命的影響。通過(guò)引入等效溫度載荷，給出了不同玻璃化溫度下的應(yīng)力分布模型。

總體來(lái)看，板級(jí)故障主要表現(xiàn)為鍍通孔熱疲勞，導(dǎo)電陽(yáng)極細(xì)絲，晶枝生長(zhǎng)，錫須，銀遷移，腐蝕等。

1.4 電子元件故障機(jī)理

電子產(chǎn)品中應(yīng)用到了大量的電子元件，包括電阻器、電連接器、電解電容器、陶瓷電容器、貼片電阻、固態(tài)鉭電容器等。在評(píng)估電子產(chǎn)品的可靠性時(shí)，電子元件的故障機(jī)理不容忽視。Wang等[9]采用考慮傳遞率因子的Steinberg振動(dòng)疲勞模型預(yù)測(cè)電子元件的剩余壽命。Chen等[10]提出在一個(gè)元件先失效的情況下，隨著時(shí)間的推移，主備用元件和熱備用元件的瞬態(tài)失效概率和累積失效概率均會(huì)發(fā)生變化。

總體看來(lái)，電子元件的故障機(jī)理主要表現(xiàn)為電阻值退化、固態(tài)鉭電容退化、電解液干涸、介質(zhì)擊穿、接觸退化、介質(zhì)氧化膜晶化、熱膨脹系數(shù)不匹配、銀離子遷移、電化學(xué)腐蝕等。

1.5 系統(tǒng)和多系統(tǒng)故障機(jī)理

系統(tǒng)和多系統(tǒng)的故障機(jī)理涉及到多種故障機(jī)理的競(jìng)爭(zhēng)、累加、促進(jìn)、抑制等關(guān)系。對(duì)于此類故障機(jī)理的處理方法多樣，由于側(cè)重點(diǎn)不同，也各有利弊。Chen等[10-11]提出了兩種失效機(jī)制的累積規(guī)律，同時(shí)還提出了一種改進(jìn)的基于層次二元決策圖的MS-PMS可靠性建模與分析方法，以及一種改進(jìn)的二元決策圖和多狀態(tài)多值決策圖(MMDD)模型相結(jié)合的方法，用于多狀態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)概率評(píng)估和可靠性分析。Cao等[12]從失效機(jī)理的特點(diǎn)出發(fā)，研究了失效機(jī)理相關(guān)性的分類，推導(dǎo)了各單一失效機(jī)理相關(guān)性的可靠性數(shù)學(xué)模型，研究了基于可靠性框圖的考慮失效機(jī)理相關(guān)性的電子產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性建模方法。Yu等[13]介紹了將相似產(chǎn)品法與試驗(yàn)法相結(jié)合進(jìn)行貯存可靠性評(píng)估的方法。Chen等[14]采用一種考慮功能相關(guān)元件失效機(jī)理行為的可靠性評(píng)估方法。

2 故障機(jī)理分析方法

故障機(jī)理分析方法包括FMECA和FMMEA，國(guó)內(nèi)外對(duì)兩種分析方法開(kāi)展了大量研究。Chen等[15-16]對(duì)現(xiàn)有的故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了綜述，然后提出了一種基于知識(shí)的故障模式管理方法，以便對(duì)故障模式進(jìn)行有效利用；闡述了FMECA研究與工程應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)提出了一種新研航空電子產(chǎn)品硬件綜合FMECA方法。Zhang等[17]提出了一種新的仿真輔助FMEA方法，并給出了具體步驟。Chen等[18]引入FMMEA來(lái)得到失效模式、失效機(jī)理和失效物理模型，可計(jì)算可靠性參數(shù)(如故障率和MTBF)。任占勇等[19]對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行FMMEA，得到所有潛在故障點(diǎn)的故障模式、機(jī)理與對(duì)應(yīng)的物理模型。利用產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)、工藝、應(yīng)力等參數(shù)建立產(chǎn)品的仿真數(shù)字模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析；利用概率故障物理(PPoF)模型進(jìn)行損傷分析，得到各潛在故障的壽命分布；最后利用時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)的原理對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到產(chǎn)品故障率、平均故障間隔時(shí)間(MTBF)等可靠性指標(biāo)。陳穎等[20-22]根據(jù)各階段應(yīng)力和環(huán)境條件對(duì)系統(tǒng)及所有元器件進(jìn)行FMMEA分析，確定系統(tǒng)各元器件在各階段的主要故障機(jī)理及其相關(guān)關(guān)系；同時(shí)，提供一種基于SBDD模型的冷儲(chǔ)備系統(tǒng)故障行為建模方法；另外，提供了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)算法的故障機(jī)理智能分析方法。

FMMEA是一種系統(tǒng)的分析方法，它是FMECA向故障機(jī)理層的延伸，通過(guò)分析故障的內(nèi)因和外因，確定產(chǎn)品故障機(jī)理并量化其風(fēng)險(xiǎn)的方法。FMMEA分析基于電子元器件故障機(jī)理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，提煉推斷邏輯關(guān)系規(guī)則，建立信息不完整情況下的故障推理過(guò)程，經(jīng)算法訓(xùn)練集的深度學(xué)習(xí)，可以提供條件概率表、聯(lián)合樹(shù)推理引擎、貝頁(yè)斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌罱K給出故障機(jī)理的智能推理結(jié)果。

3 故障物理元模型

從失效機(jī)理的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)單機(jī)理、多機(jī)理相關(guān)性的可靠性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分類，常用模型如下。

3.1 低周疲勞模型

3.1.1 焊球/焊柱/引腳/芯片粘接層等熱疲勞

(1)

3.1.2 金-鋁鍵合熱疲勞

(2)

3.2 高周疲勞模型

引線振動(dòng)疲勞/焊柱/鍵合點(diǎn)振動(dòng)疲勞：

(3)

式中：L(V)為產(chǎn)品壽命；V為加速度均方根值；n=3.2；M為材料相關(guān)的常數(shù)。

3.3 裂紋疲勞模型

根據(jù)疲勞理論，疲勞壽命可以認(rèn)為是疲勞裂紋形成壽命和疲勞裂紋傳播壽命的和。Darveaux模型是一個(gè)包含4個(gè)參數(shù)，描述失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)和每次循環(huán)積累的平均應(yīng)變能密度之間關(guān)系的模型。Darveaux本構(gòu)模型一般用于材料屬性為時(shí)間無(wú)關(guān)塑性和時(shí)間相關(guān)蠕變的情況，所以，最終選用該模型來(lái)預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的疲勞壽命。

Darveaux模型可寫(xiě)成如下形式：

(4)

式中：αw為特征壽命；a為焊點(diǎn)直徑(即最終裂紋的長(zhǎng)度)；N0為出現(xiàn)裂紋時(shí)的循環(huán)次數(shù)；da/dN為裂紋的傳播速度。與裂紋擴(kuò)展相關(guān)的數(shù)據(jù)包括：

裂紋萌生：

(5)

裂紋擴(kuò)展：

(6)

式中：ΔWave為平均應(yīng)變能密度；K1、K2、K3、K4為4個(gè)參數(shù)。

3.4 反應(yīng)論模型

Arrhenius模型是與溫度相關(guān)的壽命模型，一般只用于評(píng)估當(dāng)溫度為主要老化因素時(shí)的情形。該模型的反應(yīng)速率方程：

(7)

式中：L為平均壽命；P為待定模型參數(shù)；Ea為激活能；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度值。

3.5 芯片電擊穿失效模型

缺陷相關(guān)擊穿模型，該模型適用于硅器件。 TDDB是通過(guò)電介質(zhì)中的局部缺陷形成低電阻介電路徑，如MOS器件中的熱生長(zhǎng)氧化物或其他氧化物。由于加工不良或氧化物生長(zhǎng)不均勻，故障通常發(fā)生在氧化物層的薄弱處。

(8)

式中：τ為T(mén)DDB效應(yīng)的壽命時(shí)間；Q為比例常數(shù)；γ為電壓加速因子；Eox為氧化層電場(chǎng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地對(duì)電子產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)與物理模型應(yīng)用進(jìn)行了探討，為電子產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)及失效物理評(píng)估模型的選取提供了依據(jù)。其主要工作如下：

1) 以電子產(chǎn)品的故障為出發(fā)點(diǎn)，從集成電路-封裝、集成電路-芯片、電路板(或線路板)、電子元件、系統(tǒng)和多系統(tǒng)的角度論述了不同任務(wù)環(huán)境下電子器件的故障機(jī)理特點(diǎn)。

2) 系統(tǒng)論述了FMECA和FMMEA等故障機(jī)理的分析方法。

3) 結(jié)合低周疲勞、高周疲勞、裂紋萌生、反應(yīng)論模型、芯片失效等失效機(jī)理對(duì)故障物理元模型進(jìn)行梳理和探討。