作為5G元年的2019已經過去，隨著四大運營商的基礎設施投資和建設的不斷推進，2020年將正式邁入5G時代，很快我們將體驗到前所未有的5G工作和生活場景。利用更高速率、更寬帶寬、更高可靠性、更低時延的5G技術，給生產和生活帶來翻天覆地的變化。

5G是一個萬物互聯的時代，機器與機器能夠通信將成為普遍的特點。據賽迪智庫《5G十大細分應用場景研究報告》，5G將在VR/AR、超高清視頻、車聯網、聯網無人機、遠程醫療、智慧電力、智能工廠、智能安防、個人AI設備、智慧園區等方面大放異彩，具有非常廣闊的前景。對于這些應用場景來說，依賴于5G的基礎設施以及支撐技術的云計算，邊緣計算，AI等關鍵技術，搭配場景終端設備，可完成極其豐富的功能和體驗。

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對于5G設備，比如5G智能手機、網絡環節的片上系統（SoCs）、射頻集成電路（RFIC）等，在有溫度和功耗限制的環境下，需要具備強大的數據處理能力，其可靠性設計是必須重點考慮的一個方面，尤其需要從芯片、封裝、系統多層次考慮其熱可靠性以及結構可靠性。

本文將重點討論電子產品結構可靠性設計方面的典型問題及其仿真解決思路。

據美國空軍航空電子整體研究項目（US Air Force Avionics Integrity Program）發現，電子產品失效主要是由溫度、振動、潮濕和粉塵引起。5G電子產品的性能和指標要求就更加苛刻，拿最典型的終端產品——手機來說，其5G功能工作在更高的頻段，物理尺寸更加緊湊，電磁損耗更集中，其性能卻更容易受到溫度的影響，以及受到長時間外部使用環境的影響，因此，其具有更高的結構可靠性要求。

對于電子產品結構可靠性分析來說，可以從部件、系統兩個維度進行分析；當然，電子產品可靠性也是一個復雜的多物理場分析過程。比如5G芯片設備，先進封裝技術是保障5G芯片設備發揮極限性能，且低功耗要求的關鍵技術，高可靠性的封裝就是5G芯片設備能長時間安全運行的保證。

時下先進的2.5D IC / 3D IC封裝技術，包括通過硅通孔（TSV），管芯和晶片堆疊，系統封裝（SiP），層疊封裝（PoP），高級晶圓級封裝（WLP），將成為5G芯片封裝設計的主流選擇。短互連路徑由于提高了I / O速度，堆疊芯片之間的TSV實現更高的性能。它們還消耗較低的功率，因為堆疊了多個管芯，因此減小了電容并減小了尺寸。盡管這是一個非常有前途的技術，但由于其復雜性，仍充滿了挑戰。

系統層面，組裝在一起的5G終端產品，還需考慮整機設備的變形、振動、跌落碰撞、散熱等問題。而這些問題，都是典型的結構可靠性和熱可靠性方面的問題。

如前所述，先進封裝是5G芯片設備的關鍵技術，而日益增長的性能要求和嚴苛的使用環境，對先進封裝的結構可靠性也提出了很大的挑戰。典型的問題有如下幾個方面，后面的分析也將在這幾個方面展開。

• PCB/封裝在循環溫度作用下的翹曲分層

• PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹（爆米花效應）

• 封裝器件在振動沖擊作用下失效等

• 封裝焊球在溫度循環下產生疲勞裂紋和失效

PCB/封裝在Flip Chip工藝+循環溫度作用下的翹曲變形

在半導體行業，Flip Chip工藝廣泛用于PCB/封裝等器件連接，在此工藝下，封裝就會有殘余變形和應力的產生，也有塑性應變的存在。當PCB/封裝連接后，還會對其進行相應的溫度循環測試。使用Ansys Mechanical工具對整個流程進行仿真，可以了解Flip Chip工藝產生的塑性狀態對后續溫循仿真的影響。

對于PCB/封裝仿真而言，想要得到準確仿真結果，PCB和封裝的材料屬性是關鍵。但對于PCB和封裝的結構過于復雜，且特征尺寸小，如果按傳統分網格的方法，網格量會巨大，操作起來也不現實；如果考慮計算效率，對每層PCB板賦予相同材料屬性，那計算精度就會大打折扣。

那有沒有一種既考慮精度又能兼顧效率的方法？

答案是肯定的！Ansys專利技術 “Trace Mapping” 正好可以解決PCB仿真的材料模型計算的難題。

仿真模型和溫度條件

通過SCDM導入EDA軟件里建立的PCB板模型，考慮每一層每個位置的含銅率，計算每一層PCB每個位置的熱物參數（各向異性），比如：密度、導熱系數、熱膨脹率、泊松比等。

然后通過trace import將計算的詳細熱物參數導入到Mechanical中，Map到多層矩形板上，Map后的矩形板雖然不具有原來PCB板的幾何結構和特征，但是具有原來PCB板的詳細熱物參數。

因為進行熱力計算時，影響熱力仿真準確性的主要是PCB板自身的熱物參數準確性，所以即使矩形板沒有詳細幾何特征，也可以進行準確的熱力計算。

使用Trace Mapping方法準確計算PCB各處的材料屬性，再結合生死單元、子模型方法，就可以對Flip Chip+溫循工藝進行多尺度精確分析，得到PCB/封裝結構的受力和變形。

Thermal Cycle

Layer7           Dielectric           Metal

封裝中金屬和介質材料等效應力

PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹（爆米花效應）

塑封是廣泛應用的電子封裝技術之一。其封裝的基板和塑封料主要成分是樹脂，具有親水性和多孔性。當水分進入封裝中，會使得塑封的電子元器件發生由于吸濕引起的界面層破裂和電子元器件的整體失效破壞，甚至發生“爆米花”式的斷裂[1]。所以如美國空軍航空電子完整性項目發現的，濕度也是引起電子產品失效的重要因素。

對吸濕分析而言，最主要是依據濕度的擴散機理，獲取封裝中濕度分布，最后分析濕度應力。在Ansys中采用菲克第二定律（Fick’s second law）來預測隨著時間變化，擴散對濃度分布的影響：

同時為了求解濕度應力，需要熱-結構-擴散直接耦合單元22X系列求解計算（該方法已開發成ACT集成在workbench中）。通過以上濕度擴散和耦合單元，可以獲得封裝結構濕度分布和濕應力狀態，用于找出封裝結構薄弱區域。參考GB2423.3-93等行業標準，可以對封裝在濕度環境下進行試驗，采用Ansys解決方案可以再現該濕度測試試驗。

封裝中濕度濃度分布

封裝中濕應力引起的應變

PCB/封裝器件在振動沖擊作用下失效

在某些情況下，振動沖擊所引起的部件失效也會成為封裝結構主要的失效原因，同時封裝結構在受到沖擊的同時，也會受到熱應力的影響。如何同時評估熱應力和振動的影響，得到封裝結構的損傷，最終得到封裝使用壽命是一個需要重點考慮的方向。

對于振動分析，材料屬性也非常關鍵。類似于溫度循環分析，同樣可以采用Ansys “Trace Mapping”來等效計算封裝的材料屬性，對于封裝結構在有熱應力作用下分析，可以在Ansys Workbench采用以下流程進行計算：

考慮熱應力的振動仿真流程

對于PCB/封裝的熱分析，可以采用Ansys Mechanical中的熱模塊計算，得到PCB/封裝結構的溫度分布。溫度分布結果可以無縫傳遞到結構分析模塊，計算得到溫度所引起的熱應力分布。預應力結果同樣可以無縫傳遞到模態分析中，改變結構的剛度，從而改變PCB/封裝的整體振動特性。

通過以上流程，我們可以盡量考慮溫度對振動特性的影響。如果要分析隨機振動疲勞，在該流程中也能實現：

隨機振動疲勞仿真

在隨機振動后處理中，插入疲勞模塊，就可以進行隨機振動計算。默認使用電子行業主流的Steinberg隨機振動疲勞模型。這樣就可以在統一平臺下，完成帶預應力（熱應力）下，隨機振動分析及振動疲勞分析。

隨機振動疲勞壽命分布

封裝焊球在溫度循環下產生疲勞裂紋和失效

電子封裝中廣泛采用SMT封裝技術及新型的芯片尺寸封裝（CSP）、球陣列（BGA）等封裝技術均要求通過焊點直接實現電氣及剛性結構連接。焊球和非金屬材料的熱膨脹系數差異巨大，工作在高溫下會引起熱應力，造成焊球的熱應變。同時電子器件頻繁開關，讓焊點在高低溫下經受往復應力作用。因此焊球容易在高低溫循環下產生裂紋及擴展[2]。因此焊球的可靠性將在很大程度上決定系統的可靠性。

Ansys 采用電子封裝行業主流的Anand粘塑性模型表征焊球材料特性，Darveaux模型來進行焊球壽命預測，并且在Ansys APP Store里有對應ACT插件，操作簡單。此外，對應PCB板仍可使用 “Trace Mapping” 來等效計算PCB的材料屬性，提高仿真精度和效率。如下圖，使用該焊球疲勞預測插件，可以快速計算出焊球在完全斷裂前的溫循次數（焊球壽命）。

經過溫循計算后，可以看到封裝結構的變形（放大60倍效果）

封裝溫循變形

當然，經過Ansys Solder Fatigue 插件計算后，可以快速計算出，焊球在溫循下的壽命。

Solder Fatigue插件中需要輸入的參數

最終計算得到的焊球溫循壽命   

對于5G終端系統而言，單個模塊可靠性合格并不代表終端系統結構可靠性合格。組裝在一起的5G終端產品，更多的會考慮整機設備的變形、振動、跌落碰撞、散熱等問題。對于終端設備，例如手機，會依照相應的行業標準進行試驗測試。

接下來，就介紹下相關試驗測試在Ansys仿真環境中的實現。

彎曲試驗

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5G手機在往越來越薄的趨勢發展，這時候彎曲剛度也會隨之減小。依據IEC 61189-2:TM20，ASTM D790等行業標準，對智能手機進行相應的三點彎曲試驗，來評估手機抗彎曲性能。依據標準在Ansys Mechanical中可以建立以下的分析模型：

使用Ansys 仿真環境可以再現三點彎曲的過程，分析得到彎曲后手機的變形，預測手機器件的彎曲剛度，確定關鍵部件在高應力水平下是否破壞及疲勞壽命。

扭轉試驗

智能手機在使用中也會碰到類似扭曲的情況，而越來越薄的手機的扭轉剛度也相應降低了。依據IPC TM-650等行業標準可以對智能手機進行扭轉測試，來評估手機抗扭曲性能。依據標準在Ansys Mechanical中可以建立以下的分析模型：

手機一端固定，另外一端施加5 °的旋轉載荷。使用Ansys 仿真環境可以再現扭轉的過程，分析得到扭曲后手機的變形，預測手機器件的扭轉剛度，確定關鍵部件在高應力水平下是否破壞及疲勞壽命。

跌落測試

手機跌落碰撞應該是手機使用過程中最常出現的情況，會造成屏幕破損，關鍵部件破壞等。依據GB/T2423.8-1995，MIL-STD-810G測試標準，手機制造商可以進行相應的試驗測試，但這是非常耗時和耗錢的，利用Ansys LS-DYNA建立虛擬的手機跌落測試平臺，例如進行4角跌落，棱邊跌落，平面跌落以及多次跌落等，可以在設計早期對手機結構進行優化，增強手機的抗跌落碰撞性能。

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而在Ansys 環境下，還有相應的跌落測試模板，幫助客戶快速建立手機跌落有限元模型。依靠顯式動力學鼻祖LS-DYNA求解器和Ansys workbench優化平臺，可以對手機跌落進行準確仿真，探索手機薄弱部位；同時借助Ansys 參數優化工具DX對手機結構進行優化，增強手機的抗跌落碰撞性能。

電子產品的可靠性關系到安全性、適用性和耐久性，引起電子產品可靠性失效的因素也有很多，如何預測并優化電子產品可靠性一直就是業界的一大難題。Ansys在統一平臺下從芯片、PCB/封裝等部件級到5G終端設備的系統級別都可以提供相應的可靠性方案，精度高效率快，可以再現電子產品失效的整個歷程，得到失效結果，幫助工程師們改進優化電子產品的結構可靠性。