基于互連失效的元器件國產(chǎn)化替代驗證仿真分析

鄭麗香 史典陽 翟 芳 余昭杰 梁仕章

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

基于互連失效的元器件國產(chǎn)化替代驗證仿真分析

鄭麗香 史典陽 翟 芳 余昭杰 梁仕章

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

提出了基于互連失效的元器件國產(chǎn)化替代驗證仿真分析方法，該方法以CACLE軟件工具為載體，通過國產(chǎn)元器件與進口元器件的材料、尺寸、結構等方面的信息建立仿真模型和通過設置應力條件建立仿真的環(huán)境剖面，計算機模擬仿真分析后獲取元器件的仿真壽命及主要失效機理，可為國產(chǎn)化替代的可行性提供強有力的支撐。

國產(chǎn)元器件；互連失效；仿真分析

目前，國產(chǎn)軍用武器裝備中大量使用進口電子元器件，尤其是高可靠性、高密度集成的新型、關鍵元器件，而進口電子元器件的停產(chǎn)、禁運嚴重影響我國武器裝備的研制生產(chǎn)和維修保障，因此在裝備研制中推行元器件國產(chǎn)化勢在必行。為此本文介紹基于互連失效的元器件可靠性仿真技術用于支撐元器件國產(chǎn)化替代驗證分析工作。該技術的載體為馬里蘭大學研發(fā)的CALCE軟件工具。馬里蘭大學CALCE中心在對基于故障物理的可靠性技術做了多方面的研究之后，開發(fā)了可靠性虛擬鑒定軟件系統(tǒng)CALCE 系列軟件，已經(jīng)在NASA 的航天飛船逃逸系統(tǒng)、HONEYWELL公司的AS900航空引擎電子控制系統(tǒng)等產(chǎn)品的可靠性設計與評估中成功應用，并在發(fā)揮重要的作用[1]。

1 CALCE概述

CALCE軟件工具的核心思想是電子設備的可靠性是可以通過潛在失效部位在篩選條件、工作條件及環(huán)境條件下引起的外形結構改變、材料應力累積等變量構成的失效物理模型來評價的。

對產(chǎn)品進行可靠性評價時只需要明確詳細溫度、濕度、振動、沖擊和其它環(huán)境條件，利用這些條件信息，可以通過計算機對作用在產(chǎn)品上的熱、機械、電子、電化學等應力進行模擬，再結合器件材料和結構對應力響應的知識進行應力分析，從而確定可能的失效部位、失效模式和失效機理[2]。在板級仿真中，采用的是CALCE軟件中的calcePWA模塊，其仿真流程如圖1所示。

2 仿真建模

本文選取某裝備采集處理模塊電路板進行建模，并以該電路板中當前已停產(chǎn)的進口元器件PCI9054為國產(chǎn)化替代對象進行分析。PCI9054為PLX公司生產(chǎn)的PCI總線主控IO加速器，進行替代的國產(chǎn)元器件為國內某公司研制的XX9054。以下是具體建模過程。

獲取處理模塊電路板的設計工程文件，導出電路的CAD模型文件并導入CALCE軟件中，得到如圖2的電路板CAD模型。對電路板上的所有元器件進行建模，須收集包括元器件的尺寸、重量、封裝材料信息、功耗、熱阻、引腳信息、焊錫材料、安裝方式、散熱等參數(shù)，其中引腳信息對于仿真模型的準確性十分關鍵。XX9054與PCI9054引腳圖如圖3所示，PCI9054與XX9054的建模參數(shù)對比表如表1所示，其中左下角灰色方塊部位為XX9054或PCI9054所處的位置。對采用XX9054的“國產(chǎn)板”和采用PCI9054的“進口板”分別進行仿真建模分析。

圖2 某裝備采集處理模塊電路板CAD模型

圖3 XX9054與PCI9054引腳圖

表1 PCI9054與XX9054的建模參數(shù)對比表

3 仿真條件及結果

為仿真出溫循對電路板互連的影響，本文采取了較為嚴苛的溫循條件：最低溫度-55℃，最高溫度125℃，在最高溫和最低溫下各保持30min，高低溫轉換時間為1min。在該條件下能夠迅速的暴露出元器件的可靠性問題。對“國產(chǎn)板”分別進行環(huán)境溫度為-55℃和125℃的熱仿真，獲取仿真結果。圖4為“國產(chǎn)板”在125℃的環(huán)境溫度下電路板的仿真溫度云圖。

圖4 國產(chǎn)板在125℃的環(huán)境溫度下電路板的仿真溫度云圖

通過CALCE的LIFE PROFILE設置仿真的應力條件及任務剖面，進入失效分析功能模塊便可仿真出國產(chǎn)板的元器件壽命情況。仿真結果分析可得整個“國產(chǎn)板”只有XX9054出現(xiàn)了不能達到預期的溫循次數(shù)（設置預期的溫循次數(shù)為1 000次）。而“進口板”采用相同的條件進行仿真板上所有元器件均到達了預期壽命，PCI9054可達到的溫循次數(shù)為3 000多次。

XX9054在上述溫循條件下的仿真壽命為26次，毀壞系數(shù)（Damage Ratio，DR）為3.812，遠大于1（毀壞系數(shù)為1時代表達到預期壽命，電路板其他元器件的毀壞系數(shù)通常為0.01～0.05）。造成XX9054出現(xiàn)故障的失效模式為：1ST_TF_GULL（First Order Thermal Fatigue Model For Gullwing Packages，即鷗翼引腳封裝熱疲勞失效模型）。該模型表征了互連焊錫在溫循條件下會導致焊錫連接處的電阻增加、間歇開路甚至完全開路。造成該失效的機理為：在溫循作用下，由于元器件封裝材料、引腳材料、PCB材料、焊錫材料的熱膨脹系數(shù)不一致，造成了元器件封裝與電路板的全局失配，以及引腳與焊錫、焊錫與PCB板表面的局部失配，失配產(chǎn)生的應力導致焊錫電阻增加或開裂。鷗翼引腳封裝熱疲勞失效機理見圖5。

圖5 鷗翼引腳封裝熱疲勞失效機理

為排除其他干擾條件進一步驗證XX9054替代PCI9054的可行性，并考慮國產(chǎn)元器件的振動特性是否滿足要求，將PCI9054與XX9054放在同一電路板上進行仿真測試。溫循條件與前文保持一致，振動采用隨機振動，條件參考GJB 150.16A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第16部分：振動試驗》。XX9054與PCI9054同板仿真測試見圖6。仿真結果顯示可能會出現(xiàn)2種故障模式，分別是1ST_TF_GULL和1ST_VF_RM（First Order Random Vibration Induced InterconnectFailure Model，即隨機振動引起的疲勞失效）[3]。其中1ST_VF_RM模式下國產(chǎn)件與進口件的預期壽命均大于30年，DR小于0.001?？梢缘贸龅慕Y論為XX9054與PCI9054的振動可靠性均符合要求。而在1ST_TF_GULL模式下XX9054的DR為3.6，即溫循仿真進行了56次后出現(xiàn)引腳焊錫開裂，進口件PIC9054的DR為0.05，進行了4000多次溫循才出現(xiàn)引腳焊錫開裂。仿真測試結果表明了XX9054在替代PCI9054過程中的環(huán)境適應性尤其是溫度方面仍存在些問題，在比較惡劣的環(huán)境下以及要求環(huán)境要求較高的領域建議不使用。

圖6 XX9054與PCI9054同板仿真測試

為驗證基于互連失效的可靠性仿真方法的正確性以及明確國產(chǎn)元器件XX9054是否存在上述問題，XX9054研制單位開展了XX9054的現(xiàn)場試驗測試，將XX9054焊在試驗電路板上，并上電工作，采用試驗條件為前文的溫循條件，在溫循次數(shù)達到100次時，發(fā)現(xiàn)試驗電路板不能完成預定功能，進一步檢測發(fā)現(xiàn)XX9054的引腳信號不通，焊錫發(fā)生了開裂。

實測XX9054在前文溫循條件下的壽命為100次，而仿真結果為56次，實測結果與仿真結果相差較小，證實了基于互連失效的可靠性仿真方法的正確性。XX9054研制單位在發(fā)現(xiàn)問題后及時修改了引腳設計，改善了引腳應力分布情況，新產(chǎn)品在裝備使用中已未出現(xiàn)類似問題。

4 結論及展望

當前進口元器件的國產(chǎn)化替代評價技術比較欠缺，無法全面的評價元器件在各個應用環(huán)境下的功能、性能、可靠性等屬性，使得在當前以功能替代為主的背景下，基本上所有進口元器件國產(chǎn)化替代的實施，均不得不進行板級、設備級或系統(tǒng)級的試驗進行評價，這種設計的后期替代評價對研制周期和成本控制十分不利。采用基于互連失效的仿真方法進行建模仿真，從組件建模模塊、熱分析模塊以及振動分析模塊獲取局部溫度和局部位移數(shù)據(jù)，并結合內嵌的故障物理算法，快速定位電子組件故障部位和故障模式，同時采用故障物理方法計算其累積損傷度和平均首次故障前時間?？梢杂行У嘏袛嗖煌庋b的國產(chǎn)元器件和進口元器件的可靠性，在設計前端為元器件國產(chǎn)化替代的可行性提供支撐，減少研制周期和成本。

[1] 陳鋒，申斯文，康力 .基于故障物理的可靠性仿真分析在航電設備中的應用[J]. Modeling and Simulation建模與仿真. 2013.2.14-21.

[2] 史典陽，翟芳，余昭杰等. 基于互連失效的LED板級可靠性仿真分析[J]. 海峽兩岸第二十一屆照明科技與營銷研討會. 2014.11.94-98.

[3] CALCE Center.First Order Random Vibration Induced Interconnect Failure Model[J/OL]. CalcePWA Documentation.http：//www.calce.com.

T–65

C

1003–6660（2015）04–0043–03

10.13237/j.cnki.asq.2015.04.012

2015-02-06

（編輯：雨晴）