基于失效物理（PoF）的可靠性設(shè)計方法。

本篇根據(jù)《電子微組裝可靠性設(shè)計（基礎(chǔ)篇）》的相關(guān)內(nèi)容改編，本篇的思維導(dǎo)圖如下，重點介紹四個方面的內(nèi)容

一、基于失效物理可靠性設(shè)計方法的緣起和發(fā)展

二、基于失效物理可靠性設(shè)計方法的基本原理

三、基于失效物理可靠性設(shè)計方法的核心技術(shù)鏈

四、失效物理模型及應(yīng)用

基于失效物理（PoF）的可靠性設(shè)計方法，即應(yīng)在產(chǎn)品性能功能設(shè)計的同時，考慮如何有效控制其固有的退化和失效風險。

一、基于失效物理可靠性設(shè)計方法的緣起和發(fā)展

自美國空軍的羅姆航空發(fā)展中心（RADC）1962年組織一系列失效物理（PoF）研討會并正式確定失效概念以來，PoF方法及其應(yīng)用研究已有50多年，目前PoF作為一個可靠產(chǎn)品的開發(fā)方法已在行業(yè)和許多國家及地區(qū)得到廣泛認可，特別是航天、航空等領(lǐng)域?qū)Ω呖煽侩娮赢a(chǎn)品的需求，是PoF方法工程應(yīng)用的最大推動力。

從應(yīng)用的角度，PoF發(fā)展所奠定的技術(shù)基礎(chǔ)經(jīng)歷了以下三個主要階段。

（1）1962—1966年，RADC發(fā)起并組織失效物理年度研討會，學(xué)者提出研究失效物理以根除失效的概念。

（2）1967—1999年，IEEE主辦國際可靠性物理年會（IRPS），學(xué)者提出各種材料和元器件的失效物理模型，主張采用失效物理方法進行可靠性評估以彌補MIL-HDBK-21的局限性。

（3）2000—2016年，國際上多個行業(yè)標準組織發(fā)布各類失效物理模型以及失效物理可靠性預(yù)測方法，形成對傳統(tǒng)手冊可靠性預(yù)計方法的補充。盡管1992年、1996年IPC標準組織發(fā)布了IPC-SM-785和IPC-D-279標準，系統(tǒng)地介紹了PCB板SMT互聯(lián)焊點的熱疲勞、絕緣電阻退化等機理以及壽命評估模型，但關(guān)于電子器件及其封裝的各種失效機理模型，是在2000年后，由JEDEC、IEEE、FIDES、NASI/VITA等行業(yè)標準組織陸續(xù)發(fā)布，包括半導(dǎo)體器件失效物理模型，以及板級、封裝級到元器件級的失效物理可靠性評估方法。

我國也十分重視對失效物理方法及應(yīng)用的研究。如在1977年至2015年期間，編譯、編寫并出版了可靠性物理、失效分析技術(shù)、可靠性試驗等多種專著，對促進我國失效物理的研究和應(yīng)用起到了重要作用。目前，基于失效物理的可靠性技術(shù)應(yīng)用研究，主要集中在新材料（如無鉛焊料、高K電介質(zhì)等）、高密度組裝封裝（如SiP、MCM等）產(chǎn)品的可靠性預(yù)測，以及惡劣環(huán)境下（空間、深海、核爆等）產(chǎn)品的失效預(yù)測，通過軟件程序來運行基于預(yù)測目的的算法，并結(jié)合底層元器件的失效物理預(yù)測，實現(xiàn)系統(tǒng)級產(chǎn)品的可靠性定量設(shè)計。

二、基于失效物理可靠性設(shè)計方法的基本原理

采用失效物理方法進行可靠性設(shè)計，目的是有效控制可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效的機理，核心就是控制誘發(fā)失效機理的應(yīng)力，使其不超過規(guī)定的應(yīng)力閾值。

基于失效物理可靠性設(shè)計的基本原理，是通過控制誘發(fā)主要失效機理的應(yīng)力水平（Fr），使其不超過可靠性要求規(guī)定的應(yīng)力閾值（Sr），實現(xiàn)主要失效機理的有效控制。當產(chǎn)品長期工作時，規(guī)定應(yīng)力閾值（Sr）的獲取，需要根據(jù)可靠性指標要求（失效率或壽命），由相關(guān)失效機理的“壽命—應(yīng)力”失效物理模型計算獲得；當產(chǎn)品短期工作時，規(guī)定應(yīng)力閾值（Sr）根據(jù)最大額定值獲得。通過所建立的失效物理模型，結(jié)合可靠性指標要求，計算主要失效機理（薄弱環(huán)節(jié)）的各類應(yīng)力閾值（溫度、機械、濕度、振動加速度等），同時采取測試、仿真等手段，提取薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)值，驗證是否超出應(yīng)力閾值，若超出閾值，則實施設(shè)計改進降低薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力水平，不斷迭代分析驗證，使薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力水平控制在閾值之下并保證足夠裕量，由此薄弱環(huán)節(jié)失效機理的退化或過應(yīng)力損傷得到控制。

三、基于PoF的可靠性設(shè)計解決方案及核心技術(shù)鏈

基于失效物理的可靠性設(shè)計核心技術(shù)鏈，包括潛在失效機理分析（薄弱環(huán)節(jié)分析）、可靠性設(shè)計指標分解、潛在失效機理評估、優(yōu)化設(shè)計分析等技術(shù)。這些核心技術(shù)在微組裝產(chǎn)品的整個設(shè)計鏈中起著重要作用，如圖1所示。

圖1 基于失效物理的微組裝可靠性設(shè)計核心技術(shù)鏈

基于失效物理的可靠性設(shè)計，關(guān)鍵是按導(dǎo)致失效的應(yīng)力類型，分別進行潛在問題分析。應(yīng)力類型包括：溫度應(yīng)力（恒定溫度/溫度循環(huán)/溫度沖擊）、機械應(yīng)力（振動/機械沖擊）、潮濕應(yīng)力（相對濕度）、電磁應(yīng)力（電場/磁場）、鹽霧應(yīng)力（鹽霧比例）、輻射應(yīng)力（輻照累積/單粒子效應(yīng)）、低氣壓（海拔高度）、電應(yīng)力（電流/電壓）、多應(yīng)力耦合（熱電/熱力/等），發(fā)現(xiàn)應(yīng)力下潛在失效機理（薄弱環(huán)節(jié)），由此對產(chǎn)品進行可靠性設(shè)計指標分解，即分解針對為各應(yīng)力下主要失效機理定量控制的可靠性設(shè)計指標，進而獲得操作層面可實現(xiàn)的可靠性設(shè)計指標，同時為潛在失效評估奠定基礎(chǔ)。

潛在失效機理分析（包括熱失效機理、機械失效機理、潮濕失效機理等各類應(yīng)力下的失效機理分析），目的是確定在各類應(yīng)力下可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要失效機理和失效部位。對微組裝產(chǎn)品而言，結(jié)合以往失效分析結(jié)果采用FTA方法進行潛在失效機理分析，是設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)底層薄弱環(huán)節(jié)及影響因素并建立失效機理信息庫的一種有效方法。針對可能的主要失效模式，建立基于失效物理的微組裝組件故障樹，對故障樹中的故障對象、失效模式、失效部位、失效機理、機理因子、影響因素等6層次失效物理過程事件進行分析，確定可能導(dǎo)致失效的潛在失效機理，提取誘發(fā)失效機理的機理因子（應(yīng)力因子），通過機理因子分析和失效物理模型計算，進一步確定導(dǎo)致失效的應(yīng)力閾值，以應(yīng)力閾值為基準，針對與機理因子相關(guān)的外部影響因素進行控制和優(yōu)化設(shè)計。

可靠性設(shè)計指標分解，包括可靠性熱設(shè)計、機械可靠性設(shè)計、耐潮濕設(shè)計等各類應(yīng)力下可靠性設(shè)計指標的分解，是指將產(chǎn)品可靠性指標分解為產(chǎn)品可靠性設(shè)計指標，分解的目的是在設(shè)計層面給出具有針對性和可操作性的可靠性定量設(shè)計指標，形成產(chǎn)品可靠性設(shè)計指標體系。指標分解包括兩類：一是針對產(chǎn)品長期工作可靠性要求，分解出在溫度、機械、潮濕、電磁、鹽霧、輻射、低氣壓、電載等各類應(yīng)力下應(yīng)控制的失效機理和各機理允許最短失效時間及最高允許失效率指標，必要時考慮這些應(yīng)力耦合下的失效機理控制指標；二是針對產(chǎn)品短期工作極限性能要求，分解出在各類應(yīng)力下所有薄弱環(huán)節(jié)或關(guān)鍵部位的最大額定應(yīng)力指標，避免過應(yīng)力損傷。由此，結(jié)合產(chǎn)品可靠性要求，形成可靠性設(shè)計指標體系。

潛在失效評估，包括潛在的熱失效機理、機械失效機理、潮濕失效機理等各類應(yīng)力下主要失效機理的失效時間、失效率及微區(qū)應(yīng)力水平的評估，評估的目的是判斷潛在失效機理是否存在導(dǎo)致產(chǎn)品失效的風險。采用特性仿真、失效物理模型計算、物理特性測試等技術(shù)，對潛在失效機理進行量化評估，獲取薄弱環(huán)節(jié)失效機理的失效時間、失效率及微區(qū)應(yīng)力響應(yīng)值，對比評估結(jié)果與可靠性設(shè)計指標要求，判斷失效風險。

優(yōu)化設(shè)計分析，包括微組裝結(jié)構(gòu)/材料優(yōu)化設(shè)計分析、內(nèi)裝元器件優(yōu)選分析，以及微組裝制造工藝參數(shù)優(yōu)化、關(guān)鍵工藝參數(shù)離散性控制分析，設(shè)計分析的目的是依據(jù)潛在失效評估結(jié)果，結(jié)合微組裝結(jié)構(gòu)、材料和內(nèi)裝元器件的可選擇性，以及制造工藝的可實現(xiàn)性，借鑒以往設(shè)計案例，權(quán)衡確定優(yōu)化設(shè)計方案。

四 、失效物理模型的應(yīng)用

失效物理模型，是基于失效物理可靠性設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

1溫度應(yīng)力失效物理模型

（1）高溫過應(yīng)力失效模型：TJ≥TJM，表示當微組裝產(chǎn)品短期工作時，內(nèi)裝元器件工作溫度TJ超過最高允許溫度上限TJM（短期工作溫度閾值），即認為發(fā)生高溫過應(yīng)力失效?？捎糜谠u估微組裝產(chǎn)品短期工作狀態(tài)下，內(nèi)裝元器件是否存在高溫過應(yīng)力失效的風險。重點關(guān)注半導(dǎo)體芯片的高溫過應(yīng)力失效。

（2）穩(wěn)態(tài)溫度退化模型（Arrhenius模型）：描述微組裝產(chǎn)品長期工作時，內(nèi)裝元器件工作溫度TJ在規(guī)定的降額溫度TJD（長期工作溫度閾值）之下，元器件逐漸退化最終失效的退化壽命與穩(wěn)態(tài)溫度之間的關(guān)系。可用于計算確定在規(guī)定壽命或失效率指標要求下，內(nèi)裝元器件可承受的降額溫度閾值，評估微組裝產(chǎn)品長期工作下是否存在過早退化失效的風險。重點關(guān)注半導(dǎo)體芯片、有機黏結(jié)膠、內(nèi)引線鍵合界面、芯片倒裝焊界面的穩(wěn)態(tài)溫度退化。

（3）溫度沖擊過應(yīng)力失效模型：P＜F，表示當微組裝產(chǎn)品在快速溫變環(huán)境（ΔT≥30℃/min）下短期工作時，微互連或組裝結(jié)構(gòu)耐受溫變強度P小于規(guī)定的溫變應(yīng)力要求F時，即認為發(fā)生溫度沖擊過應(yīng)力失效?？捎糜谠u估微組裝產(chǎn)品在快速溫變環(huán)境下短期工作，是否存在溫度沖擊過應(yīng)力失效的風險。重點關(guān)注陶瓷基板、大尺寸芯片和大尺寸MLCC、金屬氣密封裝玻璃絕緣子的溫度沖擊過應(yīng)力失效。

（4）溫度循環(huán)熱疲勞損傷模型（Conffin-Manson模型）：

，描述微組裝產(chǎn)品在溫度循環(huán)（1～2次循環(huán)/天，ΔT＜20℃/min）條件下長期工作時，互連焊點等在熱機械應(yīng)力反復(fù)作用下，因塑變累積損傷導(dǎo)致開裂失效的低周疲勞壽命與溫循應(yīng)力之間的量化關(guān)系?？捎糜谟嬎愦_定在規(guī)定壽命或失效率指標要求下，互連焊點可承受的溫循應(yīng)力閾值，評估微組裝產(chǎn)品在溫度循環(huán)條件下長期工作，是否存在熱疲勞失效的風險。重點關(guān)注大尺寸倒裝芯片凸點、大尺寸功率芯片焊料層、塑封器件鍵合絲、板級器件BGA等表貼焊點的溫循熱疲勞。

2機械應(yīng)力失效物理模型

（1）振動疲勞損傷模型（Basquin定律）：Nf=Ccf（Δσ）^-m，描述微組裝產(chǎn)品在振動應(yīng)力條件下長期工作時，互連焊點、金屬氣密封裝結(jié)構(gòu)等在機械應(yīng)力反復(fù)作用下，因疲勞累積損傷導(dǎo)致開裂失效的高周疲勞壽命與振動應(yīng)力之間的量化關(guān)系?？捎糜谟嬎阍谝?guī)定壽命或失效率指標要求下的互連焊點、金屬氣密封裝結(jié)構(gòu)可承受的振動應(yīng)力閾值，評估微組裝產(chǎn)品在振動條件下長期工作，是否存在振動疲勞失效的風險。重點關(guān)注板級大尺寸器件BGA焊點、大尺寸金屬氣密封裝蓋板焊縫的振動疲勞。

（2）諧振損傷模型：fn=f，當微組裝產(chǎn)品在振動環(huán)境下工作時，若微組裝結(jié)構(gòu)固有頻率fn等于振動激勵頻率f，即認為發(fā)生諧振損傷失效?？捎糜谠u估微組裝產(chǎn)品在振動環(huán)境下工作，存在諧振損傷的風險。重點關(guān)注大尺寸板級表貼器件焊點、大尺寸金屬氣密封裝蓋板焊縫、真空器件電子槍精細結(jié)果的諧振損傷。

3）潮濕應(yīng)力失效物理模型

（1）濕度-溫度腐蝕失效模型（Peck模型等）：

，表示當微組裝產(chǎn)品在潮濕環(huán)境下工作，金屬封裝外殼、內(nèi)部芯片在潮濕應(yīng)力的長期作用下，因電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致失效的腐蝕壽命與濕度、溫度之間的量化關(guān)系。可用于計算確定在規(guī)定壽命或失效率指標要求下，器件可承受的溫度及濕度應(yīng)力閾值，評估微組裝產(chǎn)品在潮濕環(huán)境下工作發(fā)生腐蝕的風險，重點關(guān)注金屬封裝外殼、塑封器件芯片等腐蝕問題，以及金屬氣密封裝水汽滲漏問題。

（2）導(dǎo)電陽極絲（CAF）失效模型：tf=[af（1000Leff）^n]/[Vm（Q-Qt）]，描述多層基板在潮濕環(huán)境下工作，層間布線在潮濕和電壓應(yīng)力的長期作用下，因?qū)娱g金屬離子遷移導(dǎo)致失效的時間與水汽含量、多層板結(jié)構(gòu)之間的量化關(guān)系。可用于計算確定在規(guī)定壽命或失效率指標要求下，多層板可承受的水汽含量閾值，評估多層板在潮濕環(huán)境下工作發(fā)生CAF的風險。