二、微组装可靠性的系统性设计
针对微组装可靠性要求的系统性设计,关键要解决三方面问题:针对高密度组装封装失效的系统性控制设计、微组装可靠性与性能及制造的协同设计、微组装产品多机理失效的可靠性建模。
1．针对高密度组装封装失效的系统性控制设计
面对高密度组装封装带来的各种失效问题,如何系统性分析和设计,全面有效地控制失效,是解决微组装可靠性设计问题需要面临的挑战之一。
从大量的分立器件、HIC、MCM、微波组件、电真空器件失效分析案例和使用背景可以看出,产品封装失效与其使用环境或直接载荷应力有关。例如,气密封装HIC,内装裸芯片键合盘(pad)铝膜腐蚀导致内引线键合点开路失效,与HIC内部水汽含量、pad沾污、环境温度有关,一旦pad表面达到三个水分子层厚度的水膜,表面腐蚀即发生,水汽含量、环境温度、沾污,这三类应力是导致铝pad失效的直接应力因素;再如,微波功率管,烧毁失效模式,与管子的温度载荷应力和电载荷应力有关,基板与底座焊接空洞的出现是温度过高的原因,输出匹配电容击穿是电载荷过应力的原因。通过应力类别及应力来源分析,可以有效发现设计或工艺控制中存在的问题。各类载荷应力下的典型微组装失效模式如下。
● 温度应力类失效:高温导致的有机材料、内装元器件退化,温变导致的焊点疲劳等;
● 机械应力类失效:机械振动导致封装盖板疲劳开裂,机械冲击导致内装元器件黏结脱落等;
● 潮湿应力类失效:水汽引起的芯片腐蚀、外壳腐蚀、露点失效等;
● 电磁应力类失效:内装元器件及导线之间的电磁干扰等;
● 盐雾应力类失效:盐雾导致外壳、引脚腐蚀和断裂等;
● 辐射应力类失效:总剂量、单离子效应导致半导体器件失效等;
● 耦合应力类失效:温变/振动致焊点低/高周加速疲劳,低电压/温度/湿度致电化学迁移等。
因此,以载荷应力类型为主线,对各类微组装进行可靠性设计的方法,是贯穿可靠性物理思想、系统实施失效控制的一种设计思路,在方法层面,能够覆盖现有的和今后新型的微组装可靠性设计。从可靠性的基本概念来理解,如果可靠性定义中,用“可靠度”来度量微组装的可靠性,把“规定的条件和规定的时间”视为可靠性的应力约束条件,则从数学、物理的角度进一步解读可靠性定义,可以认为可靠性在数学上强调产品完成规定功能的概率即可靠度R(t),在物理上强调产品达到预期可靠度的应力约束条件[Fr(i,j)](m+1)×n。所以,以载荷应力为主线的可靠性设计思想和方法,具有更强的基础性、系统性和清晰的物理意义,强化了基于失效物理(PoF)的可靠性设计理念,这也正是本书的核心思想。但是,基于失效物理并以载荷应力为主线的可靠性设计方法,难点是载荷应力分析和量化提取,不仅要解决一般环境单一应力下的可靠性设计,还要面对复杂环境多应力耦合下的可靠性设计,这也是目前微组装可靠性技术领域关注的热点问题。
2．微组装可靠性与性能及制造的协同设计
针对微组装失效控制实施的可靠性设计,前提是不影响产品既定的设计性能,同时适应现有的制造工艺能力,所以考虑微组装可靠性与性能及制造之间的协同设计,是系统性解决微组装可靠性设计所面临的挑战之二。
微组装的这种协同设计,实际上是产品设计过程中的可靠性与性能和制造能力之间的权衡。在协同设计中,应综合考虑产品的可靠性、电性能、热性能、机械性能、防潮性、抗电磁干扰性能、抗辐照性能和可测试性等要求,特别是热性能、机械性能,既要考虑高密度组装带来的应力耦合问题,还要考虑微组装结构和材料随时间的退化问题;既要考虑短期工作期间的热、机械极限性能,也要考虑长期工作期间与热、机械应力相关的可靠性问题;既要考虑制造工艺技术能力,也要考虑制造工艺技术的稳定性和离散性问题。可以通过可靠性设计指标的分解,综合考虑各类性能之间的协同设计,量化制订设计指标;通过容差分析和从产品结构到制造工艺的健壮设计,解决参数漂移和性能退化带来的产品可靠性问题。
例如,ITRS组装封装技术工作组,在2009年的SiP组装封装技术报告中,分析了可靠性设计对SiP的影响,提出了针对SiP的有效协同设计概念,认为应该考虑物理尺寸、热问题、机械问题、电气设计和可靠性问题之间的相互影响,通过各种性能要求与可靠性要求之间的权衡,实现SiP可靠性与性能之间的协同设计,比如在进行高密度布线间距设计时,需要在布线间距和沾污桥连短路风险之间进行权衡;需要同时在多个方面评估SiP可靠性,以获得最佳的协同设计,比如键合完整性、电迁移、潜在失效部位、板级可靠性、温度循环适应性、基板弯曲、热阻抗、元器件可靠性等,SiP协同设计程序,如图6所示。同时,该报告还针对SiP的芯片-封装-系统协同设计需求,重点从三个方面分析了SiP协同设计所面临的挑战:
● 芯片-封装-系统的电气模拟和设计挑战:高密度布线耦合问题,EMC问题,3D键合丝问题;
● 芯片-封装-系统的热模拟和设计挑战:80%～90%的热量传导至PCB,堆叠封装热问题突出;
● 芯片-封装-系统的机械/应力模拟和设计挑战:板级弯曲、界面应力模拟,分层、开裂问题。
图6 SiP协同设计程序
3．微组装多机理失效的可靠性建模
可靠性模型的作用是评估产品的可靠性,包括失效率、寿命或可靠度的评估,可采用数理统计方法建模,也可采用基于失效物理的寿命-应力方法建模,通过可靠性模型的分析计算,可以评估微组装产品可靠性设计是否达到预期设计指标。微组装产品可靠性建模,考虑两个阶段:随机失效阶段的失效率模型、耗损失效阶段的可靠寿命模型,前者针对相互独立的随机失效事件,后者针对相互独立和相互关联的退化性事件。
微组装产品在电路功能上没有考虑冗余设计,所以随机失效阶段的失效率建模,无须考虑可靠性并联模型,只需要考虑串联模型;耗损失效阶段的寿命建模,重点考虑多个退化机理对产品耗损寿命的影响,采用多机理竞争失效模式判定产品的失效时间。分析多机理退化参量的相关性及其可靠性建模问题,是系统性解决微组装可靠性设计所面临的挑战之一。
1)随机失效阶段的失效率模型
对于微组装产品在随机失效阶段的可靠性建模,采用数理统计方法,虽然这一阶段的可靠性模型是最简单和最保守的串联模型,但各串联单元的应力响应提取是建模后可靠性评价的难点。
在随机失效阶段,产品可能发生各种随机性失效,由于这些失效是受到随机质量因素或外界过应力冲击所导致的,对于微组装产品,随机失效阶段的各种随机失效模式相互独立,产品可靠性模型采用串联模型,其中微组装互连结构可以作为独立的串联单元考虑。
因为,内装元器件的高密度集成,元器件之间的微组装互连和多层布线基板发生随机失效的问题更加突出;此外,从微组装可靠性设计分析的需要,单独考虑微组装互连对失效率的贡献,便于设计分析和问题的剥离,则,微组装产品失效率λ∑是内装元器件失效率λi与微组装失效率λj之和。