電子封裝與可靠性的案例
快速實現電子產品可靠性分析的方法，看這里
芯片封裝設計是電子行業的重點之一，相關研究院所和企業面臨著日趨復雜的封裝產品可靠性問題。針對電子封裝中焊點、引線等結構受振動、沖擊、溫度變化、濕度變化等條件容易發生翹曲、開裂、疲勞失效，最終導致整器件失效的問題，開發電子封裝可靠性分析軟件。該軟件可以實現電子封裝模型快速參數化建模、溫度和隨機振動環境仿真、可靠性分析，能夠降低電子封裝仿真分析門檻，提高工程師仿真分析效率，縮短研發周期。
一、功能特色
1.總體功能
? 提供電子產品可靠性分析仿真流程；
? 實現仿真全過程的向導化；
? 封裝可靠性分析全流程，使用向導式界面，無仿真經驗的設計人員，也可快速完成參數設置；
? 基于ANSYS APDL封裝Darveaux疲勞壽命模型和Manson高周疲勞經驗公式，通過自動抽取分析結果數據，實現熱溫循和隨機振動疲勞壽命預測；
? 封裝電子產品遵循的Weibull失效分布模型，給出電子產品循環次數與失效率分布曲線，快速評估不同循環次數下產品的可靠性。
2.設計參數、仿真數據文件管理
? 對模型庫文件和產生的過程數據文件進行統一管理；
? 對可靠性分析過程中定義的參數進行有效管理，并能夠基于參數對仿真過程進行驅動。
3.插件式擴展接口
針對于高級用戶，可對模型庫中模型進行擴展，同時，前處理模塊、仿真分析模塊及后處理模塊均支持插件式擴展。
二、應用案例
案例1：封裝結構溫度沖擊疲勞壽命分析
某BGA封裝設計，需要快速評估各設計參數對封裝結構溫度沖擊疲勞壽命的影響。
展開 無鉛電子封裝材料及其焊點可靠性研究進展
無鉛電子封裝材料及其焊點可靠性研究進展
摘要：隨著2006年7月1日ROHS法令實施的最后期限的來臨，無鉛焊料的研究與應用又掀起了新一輪的熱潮。由于封裝材料與封裝工藝的改變，給焊點可靠性帶來了一系列相關問題。就近年來國內外開發的無鉛焊料，焊點的失效模式，焊點可靠性評價方法和焊點的主要缺陷進行了綜述。對今后該領域的研究前景及方向進行了展望。
隨著社會的進步，保護環境，減少污染，已越來越受到人們的關注。由于鉛對環境和人體的負作用，世界各國如歐盟、美國和日本等紛紛立法禁止或限制鉛的工作應用。隨著2006年7月1日歐盟將正式對電子產品實施RoHS（Restriction of Hazardous Substances）法令，無鉛計術的研究與應用對電子封裝業的原時設備制造商和電子代工生產商已成為當務之急。另外，電子封裝向著高集成、高密度方向發展，焊點越來越小而所承載的力學、熱學和電學負荷越來越高，傳統的Sn37Pb已不能滿足工藝要求。在向無鉛化過渡的進程中，封裝材料與封裝工藝的改變所帶來的最突出的部題之一就是無鉛焊點可靠性問題。
1． 無鉛焊料的研究現狀
國際上對無鉛焊料的定義為：以Sn為基，添加Ag、Cu、Zn、Bi等元素構成的二元、三元甚至四元的共晶合金代替Sn37Pb焊料，其中w(Pb)應小于0.01%。目前，國際上一致公認的首選代鉛錫焊料主要集中在Sn-Ab-Cu系。
無鉛焊接工藝
按焊點連接方式來分，電子焊接工藝主要有二種：波峰焊（Wave Soldering）和回流焊（Reflow Soldering）。波峰焊是基于傳統的焊錫-通孔（THT，Pin Through Hole）工藝發展起來的，而回流焊是基于新型的表面貼裝技術（SMT，Surface Mount Technology）發展起來的。
展開 基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究
可見，回流焊后Solder未清洗干凈大大影響器件的可靠性。
圖4 清洗干凈條件下模型的位移場示意圖
圖5 未清洗干凈條件下模型的位移場示意圖
圖6 清洗干凈條件下Soleder的等效塑性應變
圖7 為清洗干凈條件下Soleder的等效塑性應變
五、結論
本文對在Flip-Chip封裝工藝中，對真空回流焊后Solder清洗干凈條件下與未清洗干凈條件下的器件建立了兩種有限元分析模型，載荷為電子可靠性試驗中的溫度循環載荷。有限元分析結果表明，相對于清洗干凈條件下，未清洗干凈中Solder的最大塑性應變較大，同時壽命大大降低，電子器件的可靠性也大大降低。因此，Flip-Chip回流焊后的清洗工藝對器件的可靠性有很大的影響。在Flip-Chip封裝工藝中，需要完善清洗工藝，確保Solder表面處無雜質，使underlfill充滿Solder的周圍。
展開 基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究
可見，回流焊后Solder未清洗干凈大大影響器件的可靠性。
圖4 清洗干凈條件下模型的位移場示意圖
圖5 未清洗干凈條件下模型的位移場示意圖
圖6 清洗干凈條件下Soleder的等效塑性應變
圖7 為清洗干凈條件下Soleder的等效塑性應變
五、結論
本文對在Flip-Chip封裝工藝中，對真空回流焊后Solder清洗干凈條件下與未清洗干凈條件下的器件建立了兩種有限元分析模型，載荷為電子可靠性試驗中的溫度循環載荷。有限元分析結果表明，相對于清洗干凈條件下，未清洗干凈中Solder的最大塑性應變較大，同時壽命大大降低，電子器件的可靠性也大大降低。因此，Flip-Chip回流焊后的清洗工藝對器件的可靠性有很大的影響。在Flip-Chip封裝工藝中，需要完善清洗工藝，確保Solder表面處無雜質，使underlfill充滿Solder的周圍。
展開 
PCB/封裝建模：增強單元進一步提高電子產品結構可靠性仿真精度
在電子產品仿真中，PCB/封裝結構的建模準確性一直是影響仿真速度和精度的關鍵因素。
Ansys 一直致力于該功能研發，例如 Trace mapping 局部材料等效方法，可以快速高效地對PCB/封裝結構進行等效建模。
而Ansys 增強單元則進一步提升PCB/封裝結構建模的準確性，從而提高電子產品結構可靠性仿真精度。
強沖擊條件下MEMS封裝可靠性有限元分析
在強沖擊載荷(104g或更高，g為重力加速度)作用下，彈載微電子機械系統(Micro electro-mechanical system，MEMS)(如陀螺儀或加速度計)及電子器件的封裝和互連結構失效是影響整彈可靠性及其任務成功性的重要因素。利用有限元建模和動態響應仿真分析方法對強沖擊條件下板級微電子機械系統封裝結構的可靠性問題及其影響因素進行研究。有限元動態響應分析方法針對MEMS陀螺儀的典型封裝結構——無引腳芯片載體進行。分析過程中焊點材料選取更接近工程實際的雙線性隨動硬化材料模型，詳細分析相關敏感因素對焊點互連結構可靠性的影響，并給出提高封裝結構可靠性的工程設計建議。
強沖擊條件下MEMS封裝可靠性有限元分析.pdf
展開 電子可靠性 | 利用故障物理建模加速實現汽車電子可靠性
確保汽車電子可靠性的最佳方法是故障物理(PoF)方法，該方法通過科學（物理、化學等）解釋故障機制，并評估實際工作條件下的使用壽命。該方法的四個關鍵流程分別是設計捕獲、生命周期特征化、載荷變換和耐久性仿真可靠性分析與風險評估。
Ansys Sherlock自動設計分析軟件是一款可靠性保障工具套件，在虛擬仿真環境下運行該工具，可以確保電子設計的實際使用壽命達到產品的預期使用壽命。
可靠性是衡量產品在預期使用壽命內的客戶環境下執行特定功能的能力。可靠性必須通過設計進行保障。汽車行業傳統的可靠性設計方法，例如MIL-HDBK-2.17F等經驗預測、行業規范和“測試”可靠性，都存在嚴重的局限性。更出色的可靠性設計方法離不開基于故障物理(PoF)算法的可靠性保障軟件。
汽車電子面臨的挑戰在于，需要確保在惡劣環境下超過15萬英里的行駛里程和長達10年的使用壽命，且不能發生過高故障率。惡劣環境條件包括不同區域氣候下熱循環引起的季節性變化、電磁噪聲、振動、沖擊、溫度和濕度。
此外，電子產品現已集成到現代汽車的各個方面如圖1所示，多處有它們的身影。
圖1：現代汽車中的電子產品
傳統的汽車或產品開發流程方法使用了一系列“設計-構建-測試-整改(DBTF)”可靠性增長方法，這是一種發現和解決問題的試錯方法，然而如今，這種方法已經不夠用了。本白皮書通過汽車設計與計算機輔助工程、故障物理方法流程等方面詳細介紹如何利用故障物理建模加速實現汽車電子可靠性。本文為白皮書節選，完整內容可在文末下載。
汽車設計與計算機輔助工程
汽車行業已從虛擬計算機輔助工程(CAE)工具中收獲了顯著效益。這是將車輛評估從道路轉移到實驗室，再到利用計算機實現車輛、子系統和組件級評估的直接結果。
展開 可靠性電子產品熱設計知識 附電子設備可靠性熱設計指南徐維新下載
下載地址：電子設備可靠性熱設計指南徐維新
基于PERA SIM 的電子封裝翹曲仿真分析
摘要：本文基于國產自主仿真軟件PERA SIM Mechanical建立了某疊層封裝翹曲的仿真過程，從導入幾何模型開始，到劃分網格、賦予材料參數、施加邊界條件和加載載荷，以及設置分析參數、進行分析得到仿真分析結果，實現了芯片翹曲全過程三維仿真。分析得到翹曲位移結果和應力結果，對預測和分析電子封裝潛在可靠性問題，優化芯片的結構和布局并提高芯片的整體性能提供依據。
關鍵詞：芯片翹曲；電子封裝；仿真
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1.引言
電子產品中需要使用大量封裝器件,封裝中使用了各種不同的材料，如芯片、基板、塑封等，這些材料具有不同的熱膨脹系數（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）。當整個封裝經歷溫度變化時，例如從封裝過程時的高溫降到室溫，由于各種材料的熱膨脹系數不同，伸縮不一致，進而導致封裝產生翹曲。隨著電子產品集成度及電性能要求的進一步提高，封裝技術向超薄化發展，當封裝變薄后，剛性顯著降低，更容易變形，使得翹曲顯著加大。
封裝翹曲問題可能會導致電子產品性能下降、信號完整性問題或產生不良的互連。一方面，通過在設計階段進行仿真，工程師只需要在計算機對不同封裝模型進行建模模擬，不僅可以節省實驗原料成本，還可以快速識別關鍵問題所在；另一方面，工程師可以結合DOE分析，通過考慮多組參數對翹曲的實際影響，優化芯片的結構和布局，獲取最佳設計。
展開 環境試驗與可靠性試驗的七大區別，附汽車電子環境與可靠性試驗條件清單！
環境試驗與可靠性試驗雖然關系緊密，但它們在試驗目的、所用環境應力數量、環境力量值選用準則、試驗類型、試驗時間、試驗終止判據方面存在截然的不同之處。
01
試驗目的
環境適應性測試旨在評估產品能否適應特定的環境條件，確保其設計滿足合同規定的要求，并為產品的接受或拒絕提供依據。
另一方面，可靠性測試的目的是量化產品的可靠性水平，即產品在既定的環境條件下，于一定時間內成功執行其功能的可能性。
02
所用環境應力數量
在環境適應性測試中，根據GJB 150標準，共有19項測試項目；MIL-STD-810 D標準包含20項環境測試項目；而810F標準則擴展至24項測試項目。這些測試項目涵蓋了對產品影響較大的環境因素，如溫度、濕度、鹽霧、振動、沖擊、壓力、太陽輻射、沙塵、雨水等。被測試的產品應根據其預期的使用環境和可能受到的影響，選擇相應的測試項目，通常需要考慮10個以上不同的環境因素。
而可靠性試驗由于要進行綜合模擬，只將綜合環境應力（溫度，濕度，振動）與電應力結合進行試驗。可見，可靠性試驗所選用的環境應力數量比環境試驗少得多。
展開 Ansys在芯片/封裝結構熱力可靠性方案
封裝結構的熱力可靠性方案
Influence of flip-chip attachment process on IC
Moisture Diffusion\Moisture Stress
Thermal Cycling\Thermal Stresses
Solder Joint Reliability
Shock Analysis
Drop Test
Crack Initiation and Crack Growth
Multi-physics Reliability
Warpage Analysis
Model import
Thermal
Stress
Stress and Strain Analysis of Solderball
Additional Solution for the fatigue performance of solderball
3DIC熱力設計解決方案
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。
展開 
系統級封裝可靠性的研究現狀及存在問題
隨著市場需求的增加以及技術的發展，微電子封裝逐漸走向小型化、集成化和低成本，封裝形式不斷從二維封裝向 3D 的堆疊封裝推進。同時，傳統摩爾定律( Moore's Law) 的特征尺寸不斷接近集成電路技術工藝的物理極限，單純縮小芯片特征尺寸已不能滿足半導體技術和電子產品發展的需求，系統級封裝( System in Package，SiP) 技術從封裝工藝角度成為另一種延續摩爾定律的技術路線，越來越受到關注并得到應用。
從互連技術角度，SiP 可分為兩大類: ① 通過傳統的芯片組裝技術實現多芯片或器件的封裝，如引線鍵合、載帶自動焊( TAB) 、倒裝焊等; ② 通過直接互連實現芯片堆疊，如通過硅通孔( TSV) 技術實現將一個芯片直接連接到另一個芯片上。圖 1 為國際半導體技術藍圖( ITＲS) 總結的當前 SiP 的主要封裝結構。可以看出，系統級封裝已經不再是一種單一的封裝技術，這種 技 術 包 括 引 線 鍵 合、倒 裝 焊、TAB、封 裝 堆 疊( PoP) 、封裝嵌入( PiP) 、芯片堆疊( CoC) 、圓片級封裝( WLP) 、硅通孔( TSV) 、埋入式基板等封裝工藝的混合開發和集成。SiP 綜合了多種封裝工藝，內部結構復雜，使用材料多樣，這導致了其面臨著更加復雜的可靠性問題。
經過多年努力，人們已對 SiP 的可靠性開展了大量的研究工作，并已取得了一定的成果。筆者將介紹SiP 產品在熱應力、機械應力和電磁干擾下的可靠性研究現狀和主要失效機理，并針對航天領域使用的SiP 產品，分析可靠性方面依然存在的問題，并提出相關建議。
展開 玻璃覆晶封裝(COG)中的可靠性問題
COG技術在工藝和材料上的特殊性給它帶來了一些有別于其他封裝技術的可靠性問題，下面將結合COG技術的工藝和材料特點從工業應用的角度針對幾個主要的可靠性問題進行簡要的介紹。
圖1：COG封裝結構：(左)互連示意圖，(右)凸點互連截面圖
2 導電膠互連的幾個可靠性問題與對策
COG技術作為一種互連技術，凸點與ITO之間的導通電阻是否足夠小，凸點與凸點之間的絕緣電阻是否足夠大，是衡量其性能好壞的兩個主要指標。目前COG技術中的主要可靠性問題都是圍繞著這“一小一大”產生的。
2.1界面松弛分層問題
凸點和ITO是通過與導電顆粒的機械接觸實現電氣互連的。這種機械連接相對于通過焊料凸點與焊盤焊接實現的冶金互連而言，電阻較高而穩定性差，從0.1Ohm到幾百Ohm不等，而冶金連接的電阻通常小于0.01Ohm。由于機械連接是依靠兩個連接表面相互壓緊來保持的，隨著溫度、壓力的變化，由于熱膨脹系數的差異，很容易使得界面松弛，出現裂紋和分層，導致電阻的不穩定以及失效。實際上，在顆粒與凸點或者ITO互連的界面處，顆粒的表面由于受壓已經有很多裂紋了，如圖2所示。而且，互連過程中，也會在界面引入一些氣泡，這些氣泡成為裂紋擴張的通道，使得結合強度降低，而容易發生分層，如圖3所示。另外，樹脂極易吸收水分膨脹，也極易導致界面松弛、連接失效。在水分的作用下，接觸表面的金屬如果發生氧化反應，接觸電阻也會隨之曾加。由此可見，機械接觸的可靠性是很差的。針對這些問題，人們想出了很多對策加以改進和克服。
為了克服界面松弛的問題，降低連接對溫度變化的敏感度，導電顆粒多采用在彈性樹脂球核外裹附金屬導電層的結構，樹脂球核可以起到象彈簧一樣的作用，使顆粒表面與凸點以及ITO始終保持壓緊的狀態。
展開 PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
工業APP大賽獲獎案例，芯片封裝可靠性評估專業系統
芯片封裝可靠性評估系統是安世亞太在2020中國工業APP創新應用大賽最佳行業創新應用獎獲獎案例。系統通過對芯片封裝可能發生的失效模式進行分析、計算和預測，對產品進行可靠性評估，從而縮短研發時間、提高研發效率，降低研發成本。
開發背景
芯片的封裝過程非常復雜，封裝技術是制約芯片發展的關鍵環節之一。芯片等電子產品在設計、封裝等過程均可能產生缺陷，并最終導致產品在工作狀態中發生失效。其中，與封裝相關的失效模式主要有翹曲、分層、塑性形變、開裂、焊球疲勞等。
為了確保芯片封裝的可靠性，需要在產品研發階段就對可能發生的失效模式進行分析、計算和預測，對其進行可靠性評估，進而避免產品帶缺陷“上崗”。
由于芯片封裝的形式多樣、工藝復雜，不同失效模式的分析計算流程、方法不盡相同，評價指標各異，且涉及到結構、熱以及注塑等多個學科方向，為了規范分析計算的流程，提高分析計算的效率，保證分析計算的精度，經過多個項目的實踐和驗證，最終開發完成了芯片封裝可靠性評估系統。
系統功能及特點
芯片封裝可靠性評估系統以設計人員為主要用戶對象，具體功能包括：基于參數庫的芯片不同封裝形式結構參數匹配及快速建模、芯片封裝翹曲計算與評估、芯片封裝應力計算與評估、板級可靠性評估、焊球疲勞分析與評估、PCB布線數據導入、多方案對比及DOE、基于封裝結構的材料參數匹配等。
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