電子產(chǎn)品可靠性評價與物理模型應用探討

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，半導體器件失效機理和模型選取依據(jù)成為電子行業(yè)的迫切需求。目前電子設備發(fā)展迅速，電子產(chǎn)品容量越來越大，生命周期越來越短，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，同一個器件也包括幾種不同的外形。不同供應商的半導體器件形式、材料、結構種類繁多，其對應的失效隱患也多樣，包括點遷移、腐蝕、與時間相關的介質(zhì)層擊穿、熱載流子注入、軟誤差等。

在進行電子產(chǎn)品可靠性評價與物理模型應用時，需要先了解電子產(chǎn)品和產(chǎn)品經(jīng)歷的任務，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致的產(chǎn)品參數(shù)波動，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)品在使用過程中由于完成的任務不同，使用的地區(qū)、季節(jié)不同，用戶使用方式不同而導致產(chǎn)品經(jīng)歷的環(huán)境應力具有不確定性。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產(chǎn)品的失效機理與失效模型進行限定。

本文首先以電子產(chǎn)品的故障為出發(fā)點，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環(huán)境下電子器件的故障機理特點；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、機理與影響分析(FMMEA)等故障機理分析方法；最后，對故障物理元模型進行梳理和探討，為電子產(chǎn)品可靠性評價及失效物理評估模型的選取提供了依據(jù)。

1 電子產(chǎn)品的故障機理

1.1 集成電路-封裝相關故障機理

集成電路-封裝相關的故障機理主要關注封裝中相關基本互連、密封、載體構件的故障問題。因此國內(nèi)外開展了大量的研究。Men等[1]提出了一種用于球柵陣列封裝焊點熱疲勞壽命預測的疲勞裂紋擴展模型。陳穎等[2]建立了球柵陣列封裝焊點的三維有限元模型，通過分析焊點應力分布和預測焊點熱疲勞模型，實現(xiàn)焊點壽命的快速工程估算。

整體看來，故障機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、柯肯達爾效應、SDDV、應力遷移、腐蝕等熱疲勞。

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

3) 塑封料主要為腐蝕、爆米花效應、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) 芯片粘結膠主要為粘結層疲勞斷裂等。

1.2 集成電路-芯片相關故障機理

集成電路-芯片相關的故障機理主要關注芯片內(nèi)部的故障問題。陳穎等[3]研究了芯片粘接層材料、粘結層厚度、粘結層空洞的面積、空洞的位置對芯片溫度分布以及芯片最高溫度造成的影響?？傮w看來，芯片相關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、柯肯達爾效應、ESD擊穿及二次擊穿等。故障機理如表1所示。

表1 集成電路-芯片相關的故障機理

1.3 電路板(或線路板)故障機理

電路板(或線路板)的故障機理主要關注板級的故障問題。Chen等[4]介紹了在單板機上實現(xiàn)可靠性增強試驗的過程，包括應力分析、測試程序的設計、監(jiān)測參數(shù)的確定、數(shù)據(jù)的采集和分析。陳穎等[5-8]分析了PBGA 焊點設計及環(huán)境溫度參數(shù)對其可靠性的影響；對目前制造過程鍍通孔(多層印刷線路板各層提供電導通的結構)失效的機理與物理模型的研究現(xiàn)狀進行總結；以某實驗板為例進行了實例分析，并對剩余壽命進行了預測；基于鍍通孔應力分布模型，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計參數(shù)以及線路板玻璃化溫度對鍍通孔鍍層應變及壽命的影響。通過引入等效溫度載荷，給出了不同玻璃化溫度下的應力分布模型。

總體來看，板級故障主要表現(xiàn)為鍍通孔熱疲勞，導電陽極細絲，晶枝生長，錫須，銀遷移，腐蝕等。

1.4 電子元件故障機理

電子產(chǎn)品中應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。在評估電子產(chǎn)品的可靠性時，電子元件的故障機理不容忽視。Wang等[9]采用考慮傳遞率因子的Steinberg振動疲勞模型預測電子元件的剩余壽命。Chen等[10]提出在一個元件先失效的情況下，隨著時間的推移，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發(fā)生變化。

總體看來，電子元件的故障機理主要表現(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、電化學腐蝕等。

1.5 系統(tǒng)和多系統(tǒng)故障機理

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

2 故障機理分析方法

故障機理分析方法包括FMECA和FMMEA，國內(nèi)外對兩種分析方法開展了大量研究。Chen等[15-16]對現(xiàn)有的故障模式數(shù)據(jù)庫進行了綜述，然后提出了一種基于知識的故障模式管理方法，以便對故障模式進行有效利用；闡述了FMECA研究與工程應用現(xiàn)狀，同時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來得到失效模式、失效機理和失效物理模型，可計算可靠性參數(shù)(如故障率和MTBF)。任占勇等[19]對產(chǎn)品進行FMMEA，得到所有潛在故障點的故障模式、機理與對應的物理模型。利用產(chǎn)品材料、結構、工藝、應力等參數(shù)建立產(chǎn)品的仿真數(shù)字模型，并進行應力分析；利用概率故障物理(PPoF)模型進行損傷分析，得到各潛在故障的壽命分布；最后利用時間競爭的原理對其進行數(shù)據(jù)融合，得到產(chǎn)品故障率、平均故障間隔時間(MTBF)等可靠性指標。陳穎等[20-22]根據(jù)各階段應力和環(huán)境條件對系統(tǒng)及所有元器件進行FMMEA分析，確定系統(tǒng)各元器件在各階段的主要故障機理及其相關關系；同時，提供一種基于SBDD模型的冷儲備系統(tǒng)故障行為建模方法；另外，提供了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡和深度學習算法的故障機理智能分析方法。

FMMEA是一種系統(tǒng)的分析方法，它是FMECA向故障機理層的延伸，通過分析故障的內(nèi)因和外因，確定產(chǎn)品故障機理并量化其風險的方法。FMMEA分析基于電子元器件故障機理對應的數(shù)據(jù)庫，提煉推斷邏輯關系規(guī)則，建立信息不完整情況下的故障推理過程，經(jīng)算法訓練集的深度學習，可以提供條件概率表、聯(lián)合樹推理引擎、貝頁斯網(wǎng)絡拓撲，最終給出故障機理的智能推理結果。

3 故障物理元模型

從失效機理的特點出發(fā)，對單機理、多機理相關性的可靠性數(shù)學模型進行分類，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

引線振動疲勞/焊柱/鍵合點振動疲勞：

(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模型是一個包含4個參數(shù)，描述失效時的循環(huán)次數(shù)和每次循環(huán)積累的平均應變能密度之間關系的模型。Darveaux本構模型一般用于材料屬性為時間無關塑性和時間相關蠕變的情況，所以，最終選用該模型來預測焊點的疲勞壽命。

Darveaux模型可寫成如下形式：

(4)

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

裂紋萌生：

(5)

裂紋擴展：

(6)

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

3.4 反應論模型

Arrhenius模型是與溫度相關的壽命模型，一般只用于評估當溫度為主要老化因素時的情形。該模型的反應速率方程：

(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為絕對溫度值。

3.5 芯片電擊穿失效模型

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

(8)

式中：τ為TDDB效應的壽命時間；Q為比例常數(shù)；γ為電壓加速因子；Eox為氧化層電場強度。

4 結論

本文系統(tǒng)地對電子產(chǎn)品可靠性評價與物理模型應用進行了探討，為電子產(chǎn)品可靠性評價及失效物理評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，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環(huán)境下電子器件的故障機理特點。

2) 系統(tǒng)論述了FMECA和FMMEA等故障機理的分析方法。

3) 結合低周疲勞、高周疲勞、裂紋萌生、反應論模型、芯片失效等失效機理對故障物理元模型進行梳理和探討。