基于互连失效的元器件国产化替代验证仿真分析

郑丽香 史典阳 翟 芳 余昭杰 梁仕章

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

基于互连失效的元器件国产化替代验证仿真分析

郑丽香 史典阳 翟 芳 余昭杰 梁仕章

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

提出了基于互连失效的元器件国产化替代验证仿真分析方法，该方法以CACLE软件工具为载体，通过国产元器件与进口元器件的材料、尺寸、结构等方面的信息建立仿真模型和通过设置应力条件建立仿真的环境剖面，计算机模拟仿真分析后获取元器件的仿真寿命及主要失效机理，可为国产化替代的可行性提供强有力的支撑。

国产元器件；互连失效；仿真分析

目前，国产军用武器装备中大量使用进口电子元器件，尤其是高可靠性、高密度集成的新型、关键元器件，而进口电子元器件的停产、禁运严重影响我国武器装备的研制生产和维修保障，因此在装备研制中推行元器件国产化势在必行。为此本文介绍基于互连失效的元器件可靠性仿真技术用于支撑元器件国产化替代验证分析工作。该技术的载体为马里兰大学研发的CALCE软件工具。马里兰大学CALCE中心在对基于故障物理的可靠性技术做了多方面的研究之后，开发了可靠性虚拟鉴定软件系统CALCE 系列软件，已经在NASA 的航天飞船逃逸系统、HONEYWELL公司的AS900航空引擎电子控制系统等产品的可靠性设计与评估中成功应用，并在发挥重要的作用[1]。

1 CALCE概述

CALCE软件工具的核心思想是电子设备的可靠性是可以通过潜在失效部位在筛选条件、工作条件及环境条件下引起的外形结构改变、材料应力累积等变量构成的失效物理模型来评价的。

对产品进行可靠性评价时只需要明确详细温度、湿度、振动、冲击和其它环境条件，利用这些条件信息，可以通过计算机对作用在产品上的热、机械、电子、电化学等应力进行模拟，再结合器件材料和结构对应力响应的知识进行应力分析，从而确定可能的失效部位、失效模式和失效机理[2]。在板级仿真中，采用的是CALCE软件中的calcePWA模块，其仿真流程如图1所示。

2 仿真建模

本文选取某装备采集处理模块电路板进行建模，并以该电路板中当前已停产的进口元器件PCI9054为国产化替代对象进行分析。PCI9054为PLX公司生产的PCI总线主控IO加速器，进行替代的国产元器件为国内某公司研制的XX9054。以下是具体建模过程。

获取处理模块电路板的设计工程文件，导出电路的CAD模型文件并导入CALCE软件中，得到如图2的电路板CAD模型。对电路板上的所有元器件进行建模，须收集包括元器件的尺寸、重量、封装材料信息、功耗、热阻、引脚信息、焊锡材料、安装方式、散热等参数，其中引脚信息对于仿真模型的准确性十分关键。XX9054与PCI9054引脚图如图3所示，PCI9054与XX9054的建模参数对比表如表1所示，其中左下角灰色方块部位为XX9054或PCI9054所处的位置。对采用XX9054的“国产板”和采用PCI9054的“进口板”分别进行仿真建模分析。

图2 某装备采集处理模块电路板CAD模型

图3 XX9054与PCI9054引脚图

表1 PCI9054与XX9054的建模参数对比表

3 仿真条件及结果

为仿真出温循对电路板互连的影响，本文采取了较为严苛的温循条件：最低温度-55℃，最高温度125℃，在最高温和最低温下各保持30min，高低温转换时间为1min。在该条件下能够迅速的暴露出元器件的可靠性问题。对“国产板”分别进行环境温度为-55℃和125℃的热仿真，获取仿真结果。图4为“国产板”在125℃的环境温度下电路板的仿真温度云图。

图4 国产板在125℃的环境温度下电路板的仿真温度云图

通过CALCE的LIFE PROFILE设置仿真的应力条件及任务剖面，进入失效分析功能模块便可仿真出国产板的元器件寿命情况。仿真结果分析可得整个“国产板”只有XX9054出现了不能达到预期的温循次数（设置预期的温循次数为1 000次）。而“进口板”采用相同的条件进行仿真板上所有元器件均到达了预期寿命，PCI9054可达到的温循次数为3 000多次。

XX9054在上述温循条件下的仿真寿命为26次，毁坏系数（Damage Ratio，DR）为3.812，远大于1（毁坏系数为1时代表达到预期寿命，电路板其他元器件的毁坏系数通常为0.01～0.05）。造成XX9054出现故障的失效模式为：1ST_TF_GULL（First Order Thermal Fatigue Model For Gullwing Packages，即鸥翼引脚封装热疲劳失效模型）。该模型表征了互连焊锡在温循条件下会导致焊锡连接处的电阻增加、间歇开路甚至完全开路。造成该失效的机理为：在温循作用下，由于元器件封装材料、引脚材料、PCB材料、焊锡材料的热膨胀系数不一致，造成了元器件封装与电路板的全局失配，以及引脚与焊锡、焊锡与PCB板表面的局部失配，失配产生的应力导致焊锡电阻增加或开裂。鸥翼引脚封装热疲劳失效机理见图5。

图5 鸥翼引脚封装热疲劳失效机理

为排除其他干扰条件进一步验证XX9054替代PCI9054的可行性，并考虑国产元器件的振动特性是否满足要求，将PCI9054与XX9054放在同一电路板上进行仿真测试。温循条件与前文保持一致，振动采用随机振动，条件参考GJB 150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验》。XX9054与PCI9054同板仿真测试见图6。仿真结果显示可能会出现2种故障模式，分别是1ST_TF_GULL和1ST_VF_RM（First Order Random Vibration Induced InterconnectFailure Model，即随机振动引起的疲劳失效）[3]。其中1ST_VF_RM模式下国产件与进口件的预期寿命均大于30年，DR小于0.001。可以得出的结论为XX9054与PCI9054的振动可靠性均符合要求。而在1ST_TF_GULL模式下XX9054的DR为3.6，即温循仿真进行了56次后出现引脚焊锡开裂，进口件PIC9054的DR为0.05，进行了4000多次温循才出现引脚焊锡开裂。仿真测试结果表明了XX9054在替代PCI9054过程中的环境适应性尤其是温度方面仍存在些问题，在比较恶劣的环境下以及要求环境要求较高的领域建议不使用。

图6 XX9054与PCI9054同板仿真测试

为验证基于互连失效的可靠性仿真方法的正确性以及明确国产元器件XX9054是否存在上述问题，XX9054研制单位开展了XX9054的现场试验测试，将XX9054焊在试验电路板上，并上电工作，采用试验条件为前文的温循条件，在温循次数达到100次时，发现试验电路板不能完成预定功能，进一步检测发现XX9054的引脚信号不通，焊锡发生了开裂。

实测XX9054在前文温循条件下的寿命为100次，而仿真结果为56次，实测结果与仿真结果相差较小，证实了基于互连失效的可靠性仿真方法的正确性。XX9054研制单位在发现问题后及时修改了引脚设计，改善了引脚应力分布情况，新产品在装备使用中已未出现类似问题。

4 结论及展望

当前进口元器件的国产化替代评价技术比较欠缺，无法全面的评价元器件在各个应用环境下的功能、性能、可靠性等属性，使得在当前以功能替代为主的背景下，基本上所有进口元器件国产化替代的实施，均不得不进行板级、设备级或系统级的试验进行评价，这种设计的后期替代评价对研制周期和成本控制十分不利。采用基于互连失效的仿真方法进行建模仿真，从组件建模模块、热分析模块以及振动分析模块获取局部温度和局部位移数据，并结合内嵌的故障物理算法，快速定位电子组件故障部位和故障模式，同时采用故障物理方法计算其累积损伤度和平均首次故障前时间。可以有效地判断不同封装的国产元器件和进口元器件的可靠性，在设计前端为元器件国产化替代的可行性提供支撑，减少研制周期和成本。

[1] 陈锋，申斯文，康力 .基于故障物理的可靠性仿真分析在航电设备中的应用[J]. Modeling and Simulation建模与仿真. 2013.2.14-21.

[2] 史典阳，翟芳，余昭杰等. 基于互连失效的LED板级可靠性仿真分析[J]. 海峡两岸第二十一届照明科技与营销研讨会. 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

（编辑：雨晴）