电子产品可靠性评价与物理模型应用探讨

支 越，孙大鹏，王之哲，罗宏伟

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)

0 引言

随着电子系统的快速增长，半导体器件失效机理和模型选取依据成为电子行业的迫切需求。目前电子设备发展迅速，电子产品容量越来越大，生命周期越来越短，封装形式也在不断变化。相同的封装可以包封类型和容量完全不同的器件，同一个器件也包括几种不同的外形。不同供应商的半导体器件形式、材料、结构种类繁多，其对应的失效隐患也多样，包括点迁移、腐蚀、与时间相关的介质层击穿、热载流子注入、软误差等。

在进行电子产品可靠性评价与物理模型应用时，需要先了解电子产品和产品经历的任务，即内因不确定性和外因不确定性。内因不确定性是指在由于工艺误差等因素导致的产品参数波动，包括尺寸、材料和特性参数。外因不确定性是指同一批次电子产品在使用过程中由于完成的任务不同，使用的地区、季节不同，用户使用方式不同而导致产品经历的环境应力具有不确定性。根据电子产品业界的要求，迫切需要基于以上信息对产品的失效机理与失效模型进行限定。

本文首先以电子产品的故障为出发点，从集成电路-封装、集成电路-芯片、电路板(或线路板)、电子元件、系统和多系统的角度论述了不同任务环境下电子器件的故障机理特点；然后，系统论述了故障模式、影响及危害性分析(FMECA)和故障模式、机理与影响分析(FMMEA)等故障机理分析方法；最后，对故障物理元模型进行梳理和探讨，为电子产品可靠性评价及失效物理评估模型的选取提供了依据。

1 电子产品的故障机理

1.1 集成电路-封装相关故障机理

集成电路-封装相关的故障机理主要关注封装中相关基本互连、密封、载体构件的故障问题。因此国内外开展了大量的研究。Men等[1]提出了一种用于球栅阵列封装焊点热疲劳寿命预测的疲劳裂纹扩展模型。陈颖等[2]建立了球栅阵列封装焊点的三维有限元模型，通过分析焊点应力分布和预测焊点热疲劳模型，实现焊点寿命的快速工程估算。

整体看来，故障机理主要分为以下几类：

1) 引线键合互连主要为拉伸疲劳、剪切疲劳、金属间化合物、柯肯达尔效应、SDDV、应力迁移、腐蚀等热疲劳。

2) 焊球互连主要为热疲劳、蠕变、振动疲劳、电迁移、金属间化合物、柯肯达尔效应。

3) 塑封料主要为腐蚀、爆米花效应、热膨胀系数不匹配及α射线软误差等。

4) 硅芯片主要为芯片疲劳脆断、铝电极腐蚀等。

5) 芯片粘结胶主要为粘结层疲劳断裂等。

1.2 集成电路-芯片相关故障机理

集成电路-芯片相关的故障机理主要关注芯片内部的故障问题。陈颖等[3]研究了芯片粘接层材料、粘结层厚度、粘结层空洞的面积、空洞的位置对芯片温度分布以及芯片最高温度造成的影响。总体看来，芯片相关故障主要包括热载流子注入、TDDB、NBTI、界面效果、电迁移、金属件化合物、柯肯达尔效应、ESD击穿及二次击穿等。故障机理如表1所示。

表1 集成电路-芯片相关的故障机理

1.3 电路板(或线路板)故障机理

电路板(或线路板)的故障机理主要关注板级的故障问题。Chen等[4]介绍了在单板机上实现可靠性增强试验的过程，包括应力分析、测试程序的设计、监测参数的确定、数据的采集和分析。陈颖等[5-8]分析了PBGA 焊点设计及环境温度参数对其可靠性的影响；对目前制造过程镀通孔(多层印刷线路板各层提供电导通的结构)失效的机理与物理模型的研究现状进行总结；以某实验板为例进行了实例分析，并对剩余寿命进行了预测；基于镀通孔应力分布模型，定量地研究了镀通孔线路板厚度与镀通孔直径之比(高径比)、镀通孔半径与镀层厚度之比、线路板有效作用半径与镀通孔半径之比等几何设计参数以及线路板玻璃化温度对镀通孔镀层应变及寿命的影响。通过引入等效温度载荷，给出了不同玻璃化温度下的应力分布模型。

总体来看，板级故障主要表现为镀通孔热疲劳，导电阳极细丝，晶枝生长，锡须，银迁移，腐蚀等。

1.4 电子元件故障机理

电子产品中应用到了大量的电子元件，包括电阻器、电连接器、电解电容器、陶瓷电容器、贴片电阻、固态钽电容器等。在评估电子产品的可靠性时，电子元件的故障机理不容忽视。Wang等[9]采用考虑传递率因子的Steinberg振动疲劳模型预测电子元件的剩余寿命。Chen等[10]提出在一个元件先失效的情况下，随着时间的推移，主备用元件和热备用元件的瞬态失效概率和累积失效概率均会发生变化。

总体看来，电子元件的故障机理主要表现为电阻值退化、固态钽电容退化、电解液干涸、介质击穿、接触退化、介质氧化膜晶化、热膨胀系数不匹配、银离子迁移、电化学腐蚀等。

1.5 系统和多系统故障机理

系统和多系统的故障机理涉及到多种故障机理的竞争、累加、促进、抑制等关系。对于此类故障机理的处理方法多样，由于侧重点不同，也各有利弊。Chen等[10-11]提出了两种失效机制的累积规律，同时还提出了一种改进的基于层次二元决策图的MS-PMS可靠性建模与分析方法，以及一种改进的二元决策图和多状态多值决策图(MMDD)模型相结合的方法，用于多状态系统的状态概率评估和可靠性分析。Cao等[12]从失效机理的特点出发，研究了失效机理相关性的分类，推导了各单一失效机理相关性的可靠性数学模型，研究了基于可靠性框图的考虑失效机理相关性的电子产品系统可靠性建模方法。Yu等[13]介绍了将相似产品法与试验法相结合进行贮存可靠性评估的方法。Chen等[14]采用一种考虑功能相关元件失效机理行为的可靠性评估方法。

2 故障机理分析方法

故障机理分析方法包括FMECA和FMMEA，国内外对两种分析方法开展了大量研究。Chen等[15-16]对现有的故障模式数据库进行了综述，然后提出了一种基于知识的故障模式管理方法，以便对故障模式进行有效利用；阐述了FMECA研究与工程应用现状，同时提出了一种新研航空电子产品硬件综合FMECA方法。Zhang等[17]提出了一种新的仿真辅助FMEA方法，并给出了具体步骤。Chen等[18]引入FMMEA来得到失效模式、失效机理和失效物理模型，可计算可靠性参数(如故障率和MTBF)。任占勇等[19]对产品进行FMMEA，得到所有潜在故障点的故障模式、机理与对应的物理模型。利用产品材料、结构、工艺、应力等参数建立产品的仿真数字模型，并进行应力分析；利用概率故障物理(PPoF)模型进行损伤分析，得到各潜在故障的寿命分布；最后利用时间竞争的原理对其进行数据融合，得到产品故障率、平均故障间隔时间(MTBF)等可靠性指标。陈颖等[20-22]根据各阶段应力和环境条件对系统及所有元器件进行FMMEA分析，确定系统各元器件在各阶段的主要故障机理及其相关关系；同时，提供一种基于SBDD模型的冷储备系统故障行为建模方法；另外，提供了一种基于贝叶斯网络和深度学习算法的故障机理智能分析方法。

FMMEA是一种系统的分析方法，它是FMECA向故障机理层的延伸，通过分析故障的内因和外因，确定产品故障机理并量化其风险的方法。FMMEA分析基于电子元器件故障机理对应的数据库，提炼推断逻辑关系规则，建立信息不完整情况下的故障推理过程，经算法训练集的深度学习，可以提供条件概率表、联合树推理引擎、贝页斯网络拓扑，最终给出故障机理的智能推理结果。

3 故障物理元模型

从失效机理的特点出发，对单机理、多机理相关性的可靠性数学模型进行分类，常用模型如下。

3.1 低周疲劳模型

3.1.1 焊球/焊柱/引脚/芯片粘接层等热疲劳

(1)

3.1.2 金-铝键合热疲劳

(2)

3.2 高周疲劳模型

引线振动疲劳/焊柱/键合点振动疲劳：

(3)

式中：L(V)为产品寿命；V为加速度均方根值；n=3.2；M为材料相关的常数。

3.3 裂纹疲劳模型

根据疲劳理论，疲劳寿命可以认为是疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹传播寿命的和。Darveaux模型是一个包含4个参数，描述失效时的循环次数和每次循环积累的平均应变能密度之间关系的模型。Darveaux本构模型一般用于材料属性为时间无关塑性和时间相关蠕变的情况，所以，最终选用该模型来预测焊点的疲劳寿命。

Darveaux模型可写成如下形式：

(4)

式中：αw为特征寿命；a为焊点直径(即最终裂纹的长度)；N0为出现裂纹时的循环次数；da/dN为裂纹的传播速度。与裂纹扩展相关的数据包括：

裂纹萌生：

(5)

裂纹扩展：

(6)

式中：ΔWave为平均应变能密度；K1、K2、K3、K4为4个参数。

3.4 反应论模型

Arrhenius模型是与温度相关的寿命模型，一般只用于评估当温度为主要老化因素时的情形。该模型的反应速率方程：

(7)

式中：L为平均寿命；P为待定模型参数；Ea为激活能；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度值。

3.5 芯片电击穿失效模型

缺陷相关击穿模型，该模型适用于硅器件。 TDDB是通过电介质中的局部缺陷形成低电阻介电路径，如MOS器件中的热生长氧化物或其他氧化物。由于加工不良或氧化物生长不均匀，故障通常发生在氧化物层的薄弱处。

(8)

式中：τ为TDDB效应的寿命时间；Q为比例常数；γ为电压加速因子；Eox为氧化层电场强度。

4 结论

本文系统地对电子产品可靠性评价与物理模型应用进行了探讨，为电子产品可靠性评价及失效物理评估模型的选取提供了依据。其主要工作如下：

1) 以电子产品的故障为出发点，从集成电路-封装、集成电路-芯片、电路板(或线路板)、电子元件、系统和多系统的角度论述了不同任务环境下电子器件的故障机理特点。

2) 系统论述了FMECA和FMMEA等故障机理的分析方法。

3) 结合低周疲劳、高周疲劳、裂纹萌生、反应论模型、芯片失效等失效机理对故障物理元模型进行梳理和探讨。