半导体、5G、消费电子、终端设备结构可靠性分析应用方案

2019进入了5G元年，随着四大运营商的基础设施投资和建设的不断推进，2020年已正式迈入5G时代，这意味着，我们将利用更高速率、更宽带宽、更高可靠性、更低时延的5G技术，给生产和生活带来翻天覆地的变化。

2021年开始，电子产品所在的新基建及电子产业在中国有很大的发展潜力，例如受众极为广泛的消费电子行业、国家重点投入的半导体行业、5G产业等。对于一些应用场景来说，在有温度和功耗限制的环境下，电子产品不仅需要具备强大的数据处理能力，电子产品性能要求高（包括小型化、规模化、集成化）、使用环境恶劣（受到温度、振动、潮湿和粉尘等因素影响）也是重点考虑的一个方面，这使得电子产品结构可靠性有很大挑战，需要满足功能可靠、满足寿命需求等，尤其需要从芯片、封装、系统多层次考虑其热可靠性以及结构可靠性。

目前，行业应用方案集中在芯片、封装、PCB等半导体行业结构可靠性、5G行业结构可靠性、消费电子产品等结构可靠性上。未来会随着市场热点和客户需求进行调整，增加行业内容。电子产品热应力分析、湿应力分析、振动分析、跌落碰撞分析、多物理场耦合、多学科融合是应用方案主要考虑的方向。

一、电子产品对结构可靠性的要求

据美国空军航空电子整体研究项目（US Air Force Avionics Integrity Program）发现，电子产品失效主要是由温度、振动、潮湿和粉尘引起。5G电子产品的性能和指标要求就更加苛刻，拿最典型的终端产品——手机来说，其功能工作在更高的频段，物理尺寸更加紧凑，电磁损耗更集中，其性能却更容易受到温度的影响，以及受到长时间外部使用环境的影响，因此，其具有更高的结构可靠性要求。

对于电子产品结构可靠性分析来说，可以从部件、系统两个维度进行分析；当然，电子产品可靠性也是一个复杂的多物理场分析过程。比如5G芯片设备，先进封装技术是保障5G芯片设备发挥极限性能，且低功耗要求的关键技术，高可靠性的封装就是5G芯片设备能长时间安全运行的保证。系统层面，组装在一起的终端产品，还需考虑整机设备的变形、振动、跌落碰撞、散热等问题。而这些问题，都是典型的结构可靠性和热可靠性方面的问题。

二、芯片、封装、PCB结构分析

主要针对半导体、封装、电子控制行业中芯片、封装PCB结构受力变形分析：

芯片、基板翘曲变形（联合电磁—热—力耦合）

基板结构显式动力学可靠性（跌落碰撞）

封装PCB结构制造工艺设计（FC工艺、热压焊接等）

封装PCB结构热力可靠性（温循）

封装PCB结构中焊球蠕变和寿命分析

封装PCB结构湿度扩散和湿应力分析

封装PCB的结构动力学可靠性（模态、随机振动）

封装结构显式动力学可靠性（跌落碰撞）

三、PCB/封装的结构可靠性

日益增长的性能要求和严苛的使用环境，对先进封装的结构可靠性也提出了很大的挑战。典型的问题有如下几个方面。

PCB/封装在循环温度作用下的翘曲分层

PCB/封装在潮湿环境下吸湿膨胀（爆米花效应）

封装器件在振动冲击作用下失效等

封装焊球在温度循环下产生疲劳裂纹和失效

（1）PCB/封装在Flip Chip工艺+循环温度作用下的翘曲变形

在半导体行业，Flip Chip工艺广泛用于PCB/封装等器件连接，在此工艺下，封装就会有残余变形和应力的产生，也有塑性应变的存在。当PCB/封装连接后，还会对其进行相应的温度循环测试。

对于PCB/封装仿真而言，想要得到准确仿真结果，PCB和封装的材料属性是关键。但对于PCB和封装的结构过于复杂，且特征尺寸小，如果按传统分网格的方法，网格量会巨大，操作起来也不现实；如果考虑计算效率，对每层PCB板赋予相同材料属性，那计算精度就会大打折扣。

进行热力计算时，影响热力仿真准确性的主要是PCB板自身的热物参数准确性，所以即使矩形板没有详细几何特征，也可以进行准确的热力计算。例如，Ansys专利技术 “Trace Mapping” 正好可以解决PCB仿真的材料模型计算的难题。

（2）PCB/封装在潮湿环境下吸湿膨胀（爆米花效应）

塑封是广泛应用的电子封装技术之一。其封装的基板和塑封料主要成分是树脂，具有亲水性和多孔性。当水分进入封装中，会使得塑封的电子元器件发生由于吸湿引起的界面层破裂和电子元器件的整体失效破坏，甚至发生“爆米花”式的断裂。所以如美国空军航空电子完整性项目发现的，湿度也是引起电子产品失效的重要因素。

对吸湿分析而言，最主要是依据湿度的扩散机理，获取封装中湿度分布，最后分析湿度应力。采用菲克第二定律（Fick’s second law）来预测随着时间变化，扩散对浓度分布的影响：

同时为了求解湿度应力，需要热—结构—扩散直接耦合单元22X系列求解计算。通过以上湿度扩散和耦合单元，可以获得封装结构湿度分布和湿应力状态，用于找出封装结构薄弱区域。参考GB2423.3-93等行业标准，可以对封装在湿度环境下进行试验。

（3）PCB/封装器件在振动冲击作用下失效

在某些情况下，振动冲击所引起的部件失效也会成为封装结构主要的失效原因，同时封装结构在受到冲击的同时，也会受到热应力的影响。如何同时评估热应力和振动的影响，得到封装结构的损伤，最终得到封装使用寿命是一个需要重点考虑的方向。

对于振动分析，材料属性也非常关键。类似于温度循环分析，可以采用热模块计算，得到PCB/封装结构的温度分布。温度分布结果可以无缝传递到结构分析模块，计算得到温度所引起的热应力分布，预应力结果同样可以无缝传递到模态分析中，改变结构的刚度，从而改变PCB/封装的整体振动特性。

在随机振动后处理中，插入疲劳模块，就可以进行随机振动计算。默认使用电子行业主流的Steinberg随机振动疲劳模型。这样就可以在统一平台下，完成带预应力（热应力）下，随机振动分析及振动疲劳分析。

（4）封装焊球在温度循环下产生疲劳裂纹和失效

电子封装中广泛采用SMT封装技术及新型的芯片尺寸封装（CSP）、球阵列（BGA）等封装技术均要求通过焊点直接实现电气及刚性结构连接。焊球和非金属材料的热膨胀系数差异巨大，工作在高温下会引起热应力，造成焊球的热应变。同时电子器件频繁开关，让焊点在高低温下经受往复应力作用。因此焊球容易在高低温循环下产生裂纹及扩展。因此焊球的可靠性将在很大程度上决定系统的可靠性。

四、5G电子产品结构可靠性

主要针对手机、滤波器等整机产品结构可靠性

手机扬声器性能优化（优化频响曲线，减少杂音，优化音腔结构）

手机整机多点弯曲试验

手机整机扭转弯曲试验

手机整机跌落测试

体声波滤波器（BAW）可靠性

声表面波滤波器（SAW）可靠性

五、终端设备的结构可靠性

对于终端系统而言，单个模块可靠性合格并不代表终端系统结构可靠性合格。组装在一起的终端产品，更多的会考虑整机设备的变形、振动、跌落碰撞、散热等问题。对于终端设备，例如手机，会依照相应的行业标准进行试验测试。

电子产品的可靠性关系到安全性、适用性和耐久性，引起电子产品可靠性失效的因素也有很多，如何预测并优化电子产品可靠性一直就是业界的一大难题。新亚制程作为电子制程方案解决商，提供专业的、科学的电子制程方案，提供颇具技术前瞻性的电子工具、仪器仪表、电子设备、化工辅料（SLD有机硅新材料）、静电净化五大系列产品，成功地将电子制程方案中决定产品生产工艺的两大制程环境（净化、防静电）及十大制程技术（焊接、紧固、润滑、粘接、粘贴、测试、测量、光学、SMT、环境模拟）运用到整体服务中，帮助制造企业导入电子制程方案的应用技术支持及配套服务，助力电子产业发展的图片么感受，助力电子信息产业走向强国的途径。