鄭麗香 史典陽(yáng) 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(guó)產(chǎn)化替代驗(yàn)證仿真分析

鄭麗香 史典陽(yáng) 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(guó)產(chǎn)化替代驗(yàn)證仿真分析方法，該方法以CACLE軟件工具為載體，通過(guò)國(guó)產(chǎn)元器件與進(jìn)口元器件的材料、尺寸、結(jié)構(gòu)等方面的信息建立仿真模型和通過(guò)設(shè)置應(yīng)力條件建立仿真的環(huán)境剖面，計(jì)算機(jī)模擬仿真分析后獲取元器件的仿真壽命及主要失效機(jī)理，可為國(guó)產(chǎn)化替代的可行性提供強(qiáng)有力的支撐。

國(guó)產(chǎn)元器件；互連失效；仿真分析

目前，國(guó)產(chǎn)軍用武器裝備中大量使用進(jìn)口電子元器件，尤其是高可靠性、高密度集成的新型、關(guān)鍵元器件，而進(jìn)口電子元器件的停產(chǎn)、禁運(yùn)嚴(yán)重影響我國(guó)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(guó)產(chǎn)化勢(shì)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(shù)用于支撐元器件國(guó)產(chǎn)化替代驗(yàn)證分析工作。該技術(shù)的載體為馬里蘭大學(xué)研發(fā)的CALCE軟件工具。馬里蘭大學(xué)CALCE中心在對(duì)基于故障物理的可靠性技術(shù)做了多方面的研究之后，開(kāi)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(shè)計(jì)與評(píng)估中成功應(yīng)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(shè)備的可靠性是可以通過(guò)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(jié)構(gòu)改變、材料應(yīng)力累積等變量構(gòu)成的失效物理模型來(lái)評(píng)價(jià)的。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)時(shí)只需要明確詳細(xì)溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊和其它環(huán)境條件，利用這些條件信息，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)作用在產(chǎn)品上的熱、機(jī)械、電子、電化學(xué)等應(yīng)力進(jìn)行模擬，再結(jié)合器件材料和結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力響應(yīng)的知識(shí)進(jìn)行應(yīng)力分析，從而確定可能的失效部位、失效模式和失效機(jī)理[2]。在板級(jí)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(jìn)行建模，并以該電路板中當(dāng)前已停產(chǎn)的進(jìn)口元器件PCI9054為國(guó)產(chǎn)化替代對(duì)象進(jìn)行分析。PCI9054為PLX公司生產(chǎn)的PCI總線(xiàn)主控IO加速器，進(jìn)行替代的國(guó)產(chǎn)元器件為國(guó)內(nèi)某公司研制的XX9054。以下是具體建模過(guò)程。

獲取處理模塊電路板的設(shè)計(jì)工程文件，導(dǎo)出電路的CAD模型文件并導(dǎo)入CALCE軟件中，得到如圖2的電路板CAD模型。對(duì)電路板上的所有元器件進(jìn)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(duì)于仿真模型的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵。XX9054與PCI9054引腳圖如圖3所示，PCI9054與XX9054的建模參數(shù)對(duì)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(duì)采用XX9054的“國(guó)產(chǎn)板”和采用PCI9054的“進(jìn)口板”分別進(jìn)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(duì)比表

3 仿真條件及結(jié)果

為仿真出溫循對(duì)電路板互連的影響，本文采取了較為嚴(yán)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(zhuǎn)換時(shí)間為1min。在該條件下能夠迅速的暴露出元器件的可靠性問(wèn)題。對(duì)“國(guó)產(chǎn)板”分別進(jìn)行環(huán)境溫度為-55℃和125℃的熱仿真，獲取仿真結(jié)果。圖4為“國(guó)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(guó)產(chǎn)板在125℃的環(huán)境溫度下電路板的仿真溫度云圖

通過(guò)CALCE的LIFE PROFILE設(shè)置仿真的應(yīng)力條件及任務(wù)剖面，進(jìn)入失效分析功能模塊便可仿真出國(guó)產(chǎn)板的元器件壽命情況。仿真結(jié)果分析可得整個(gè)“國(guó)產(chǎn)板”只有XX9054出現(xiàn)了不能達(dá)到預(yù)期的溫循次數(shù)（設(shè)置預(yù)期的溫循次數(shù)為1 000次）。而“進(jìn)口板”采用相同的條件進(jìn)行仿真板上所有元器件均到達(dá)了預(yù)期壽命，PCI9054可達(dá)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(yuǎn)大于1（毀壞系數(shù)為1時(shí)代表達(dá)到預(yù)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(huì)導(dǎo)致焊錫連接處的電阻增加、間歇開(kāi)路甚至完全開(kāi)路。造成該失效的機(jī)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(yīng)力導(dǎo)致焊錫電阻增加或開(kāi)裂。鷗翼引腳封裝熱疲勞失效機(jī)理見(jiàn)圖5。

圖5 鷗翼引腳封裝熱疲勞失效機(jī)理

為排除其他干擾條件進(jìn)一步驗(yàn)證XX9054替代PCI9054的可行性，并考慮國(guó)產(chǎn)元器件的振動(dòng)特性是否滿(mǎn)足要求，將PCI9054與XX9054放在同一電路板上進(jìn)行仿真測(cè)試。溫循條件與前文保持一致，振動(dòng)采用隨機(jī)振動(dòng)，條件參考GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》。XX9054與PCI9054同板仿真測(cè)試見(jiàn)圖6。仿真結(jié)果顯示可能會(huì)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(jī)振動(dòng)引起的疲勞失效）[3]。其中1ST_VF_RM模式下國(guó)產(chǎn)件與進(jìn)口件的預(yù)期壽命均大于30年，DR小于0.001。可以得出的結(jié)論為XX9054與PCI9054的振動(dòng)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(jìn)行了56次后出現(xiàn)引腳焊錫開(kāi)裂，進(jìn)口件PIC9054的DR為0.05，進(jìn)行了4000多次溫循才出現(xiàn)引腳焊錫開(kāi)裂。仿真測(cè)試結(jié)果表明了XX9054在替代PCI9054過(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性尤其是溫度方面仍存在些問(wèn)題，在比較惡劣的環(huán)境下以及要求環(huán)境要求較高的領(lǐng)域建議不使用。

圖6 XX9054與PCI9054同板仿真測(cè)試

為驗(yàn)證基于互連失效的可靠性仿真方法的正確性以及明確國(guó)產(chǎn)元器件XX9054是否存在上述問(wèn)題，XX9054研制單位開(kāi)展了XX9054的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，將XX9054焊在試驗(yàn)電路板上，并上電工作，采用試驗(yàn)條件為前文的溫循條件，在溫循次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)電路板不能完成預(yù)定功能，進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)XX9054的引腳信號(hào)不通，焊錫發(fā)生了開(kāi)裂。

實(shí)測(cè)XX9054在前文溫循條件下的壽命為100次，而仿真結(jié)果為56次，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相差較小，證實(shí)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(wèn)題后及時(shí)修改了引腳設(shè)計(jì)，改善了引腳應(yīng)力分布情況，新產(chǎn)品在裝備使用中已未出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題。

4 結(jié)論及展望

當(dāng)前進(jìn)口元器件的國(guó)產(chǎn)化替代評(píng)價(jià)技術(shù)比較欠缺，無(wú)法全面的評(píng)價(jià)元器件在各個(gè)應(yīng)用環(huán)境下的功能、性能、可靠性等屬性，使得在當(dāng)前以功能替代為主的背景下，基本上所有進(jìn)口元器件國(guó)產(chǎn)化替代的實(shí)施，均不得不進(jìn)行板級(jí)、設(shè)備級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種設(shè)計(jì)的后期替代評(píng)價(jià)對(duì)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(jìn)行建模仿真，從組件建模模塊、熱分析模塊以及振動(dòng)分析模塊獲取局部溫度和局部位移數(shù)據(jù)，并結(jié)合內(nèi)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(shí)采用故障物理方法計(jì)算其累積損傷度和平均首次故障前時(shí)間?？梢杂行У嘏袛嗖煌庋b的國(guó)產(chǎn)元器件和進(jìn)口元器件的可靠性，在設(shè)計(jì)前端為元器件國(guó)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(shè)備中的應(yīng)用[J]. Modeling and Simulation建模與仿真. 2013.2.14-21.

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

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

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1003–6660（2015）04–0043–03

10.13237/j.cnki.asq.2015.04.012

2015-02-06

（編輯：雨晴）