基于競爭失效的集成電路壽命研究①

林志勇++任偉++陳佳++畢錦棟

摘 要：基于電路板互連可靠性分析技術(shù)，提出了集成電路的壽命仿真分析流程。首先運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)PCB電路板組件在典型電子裝備環(huán)境試驗(yàn)條件下的溫度應(yīng)力與隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析；其次采用CALCE-PWA軟件分別建立熱與振動(dòng)故障預(yù)計(jì)模型，從熱仿真、振動(dòng)仿真結(jié)果中導(dǎo)入模型所需應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行集成電路的壽命仿真分析；最后基于競爭失效機(jī)制，確定集成電路失效狀態(tài)與計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明該集成電路為熱失效，失效循環(huán)數(shù)為260 089。其壽命仿真分析方法與計(jì)算結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，并為集成電路的可靠性評(píng)估提供一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：集成電路 壽命仿真 分析流程 競爭失效 CALCE-PWA

中圖分類號(hào)：V263.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（c）-0067-04

由于電子設(shè)備對(duì)溫度、振動(dòng)最為敏感，且根據(jù)對(duì)電子產(chǎn)品失效原因的統(tǒng)計(jì)，溫度因素占43.3%，振動(dòng)因素占28.7%，由這2種應(yīng)力作用導(dǎo)致的產(chǎn)品的失效為71%[1]。因此，研究集成電路壽命需主要對(duì)溫度和振動(dòng)2種應(yīng)力進(jìn)行仿真、評(píng)估并預(yù)計(jì)。據(jù)此壽命仿真主體結(jié)構(gòu)中涉及的仿真項(xiàng)目主要有熱仿真、振動(dòng)仿真、故障預(yù)計(jì)仿真。在諸如印刷電路板的典型電子產(chǎn)品的服役期內(nèi)，熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力是產(chǎn)品所承受的主要環(huán)境載荷。文獻(xiàn)[2-4]從器件級(jí)薄弱環(huán)節(jié)的失效物理建模出發(fā)，通過對(duì)整板PCB的振動(dòng)仿真與實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了元器件的壽命。文獻(xiàn)[5-7]研究了集成電路的壽命試驗(yàn)條件，并對(duì)PCB電路板組件的溫度分布進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。此外，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)集成電路的失效類別、失效原因開展了大量研究。但是上述研究較多的依賴物理樣機(jī)試驗(yàn)，且計(jì)算集成電路壽命時(shí)未能綜合考慮集成電路復(fù)雜的失效因素。

該文基于協(xié)同仿真技術(shù)，采用競爭失效機(jī)制，選用電子產(chǎn)品中的一個(gè)整板PCB作為研究對(duì)象，對(duì)集成電路壽命進(jìn)行預(yù)測，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)集成電路的可靠性進(jìn)行評(píng)估，并減少物理樣機(jī)試驗(yàn)成本。

1 壽命分析流程

基于競爭失效機(jī)制的集成電路壽命預(yù)測的仿真分析流程如圖1所示。首先基于集成電路封裝類型完成模型建立；然后分別從熱仿真、振動(dòng)仿真中導(dǎo)入模型所需應(yīng)力參數(shù)，加載集成電路壽命剖面；最后根據(jù)競爭失效機(jī)制，獲取集成電路壽命。其中，集成電路管腳與電路板基板的互連處模型的建立采用競爭失效法則（即“最小薄弱原理”）。

整個(gè)流程中各主要步驟如下所示。

（1）獲取集成電路以及電路板組件結(jié)構(gòu)及工藝信息。

（2）根據(jù)電路板組件工作環(huán)境條件制定壽命周期環(huán)境剖面。

（3）基于ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析，獲取熱仿真與振動(dòng)仿真結(jié)果，為基于失效物理的故障預(yù)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）建立熱故障預(yù)計(jì)模型與振動(dòng)故障預(yù)計(jì)模型，分別進(jìn)行壽命仿真分析，可得到故障預(yù)計(jì)結(jié)果，基于競爭失效機(jī)制，確定集成電路失效狀態(tài)，并得到壽命仿真計(jì)算結(jié)果。

2 研究對(duì)象

項(xiàng)目選取的某PCB電路板組件有限元模型網(wǎng)格劃分圖如圖2所示，圖右顯示了集成電路詳細(xì)模型的網(wǎng)格劃分效果。電路板組件模型采用SolidWorks軟件建立，對(duì)目標(biāo)集成電路進(jìn)行詳細(xì)的三維模型建模，對(duì)其他元器件采用長寬高與之相同的長方體等效處理。使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析，用內(nèi)部MPC約束算法建立接觸單元來處理各元器件和電路板基板的裝配關(guān)系。

3 壽命周期環(huán)境剖面

熱仿真分析環(huán)境條件根據(jù)基本試驗(yàn)中的各種工作環(huán)境溫度以及產(chǎn)品工作時(shí)對(duì)應(yīng)的環(huán)控條件制定。因此，參考典型電子裝備高溫低溫試驗(yàn)條件[8]，確定仿真溫度環(huán)境如下：熱天地面階段工作和不工作溫度為+70 ℃，冷天地面階段工作和不工作溫度為-55℃；熱天飛行階段工作溫度為+55 ℃，冷天飛行階段工作溫度為-40 ℃。

參照典型電子裝備環(huán)境試驗(yàn)條件，確定電路板隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的功率譜密度，其最大值W0為0.04 g2/Hz。綜上，按照電路板實(shí)際工作條件，將環(huán)境應(yīng)力簡化為溫度循環(huán)1（冷天工作）、溫度循環(huán)2（熱天工作）和隨機(jī)振動(dòng)，見表1。

4 有限元仿真分析

4.1 熱仿真分析

針對(duì)工作環(huán)境溫度為70 ℃、55 ℃、-40 ℃、-55 ℃的情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，表2為環(huán)境溫度70 ℃時(shí)電路板組件溫度云圖和集成電路溫度云圖。

通過對(duì)70 ℃工作環(huán)境溫度下電路板、集成電路溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得熱分析結(jié)果，電路板組件平均溫度為80.4 ℃，溫升為10.4 ℃，集成電路平均溫度為82.7 ℃，溫升為12.7 ℃。

4.2 振動(dòng)分析

（1）模態(tài)分析。

振動(dòng)分析時(shí)將電路板兩端插入導(dǎo)軌，故約束兩端UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ自由度；同時(shí)電路板兩側(cè)面被壓緊，故約束其UX方向自由度，并將約束載荷置于載荷集Constraints中。獲取電路板組件前三階模態(tài)振型如表3所示。

（2）隨機(jī)振動(dòng)分析。

在完成模態(tài)分析基礎(chǔ)上按照振動(dòng)環(huán)境條件開展隨機(jī)振動(dòng)分析，可獲取位移云圖、加速度云圖。表4顯示了電路板組件位移云圖、電路板組件加速度云圖。

對(duì)隨機(jī)振動(dòng)位移與加速度結(jié)果進(jìn)行歸納，可得電路板位移、加速度，集成電路位移，為進(jìn)行集成電路壽命計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。

5 壽命仿真分析

5.1 模型建立

該研究中使用的壽命仿真軟件工具是CALCE-PWA，該軟件是用于電子組件設(shè)計(jì)和分析的一組集成工具，輸入熱分析與振動(dòng)分析的結(jié)果，利用其故障模型可對(duì)印制板器件進(jìn)行工作剖面下的故障預(yù)計(jì)。在完成電路板建模、部件建模和元器件建模的基礎(chǔ)上形成最終模型。

5.2 剖面設(shè)置

從熱仿真結(jié)果中獲取集成電路平均殼溫和集成電路安裝位置的電路板表面平均溫度，并按照溫度剖面將集成電路的詳細(xì)溫度數(shù)據(jù)輸入CALCE-PWA軟件中；結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果設(shè)置振動(dòng)剖面。表5給出溫度循環(huán)1（冷天工作）、溫度循環(huán)2（熱天工作）和振動(dòng)剖面示例。

5.3 壽命預(yù)計(jì)

定義并加載集成電路壽命剖面后，即可以對(duì)集成電路在各種類型剖面下的失效前循環(huán)數(shù)/時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，匯總結(jié)果如表6所示。

通過Miner定理計(jì)算集成電路溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)下的平均首發(fā)故障前時(shí)間，見表7，集成電路失效狀態(tài)為熱失效，失效循環(huán)數(shù)為260 089。

6 結(jié)語

針對(duì)集成電路故障預(yù)計(jì)的仿真是利用結(jié)構(gòu)、工藝和應(yīng)力等性能參數(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字模型并進(jìn)行失效分析。該文介紹了基于競爭失效機(jī)制的集成電路壽命評(píng)估流程，并以某型號(hào)集成電路進(jìn)行仿真分析，確定了該集成電路的失效狀態(tài)與失效循環(huán)次數(shù)。基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的集成電路壽命分析方法可應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)各個(gè)階段，并減少物理樣機(jī)試驗(yàn)成本，為評(píng)估集成電路的可靠性提供依據(jù)。

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