隨機振動對某波控專用芯片可靠性的影響分析

馬敏舒，王媛，侯晨琛

（中國電子科技集團公司第24研究所，重慶 400060）

引言

隨著半導體集成電路技術的快速發展，半導體電路集成度日益提高，設計工藝日益復雜，對產品可靠性要求也越來越高。半導體元器件在航空、航天等領域應用過程中，隨機振動引起元器件內部產生劇烈的動力學響應，其產生的形變或者應力會導致電子元器件失效，呈現短路、斷路、焊點松動或者開裂等問題，對電子元器件的使用穩定性和可靠性產生較大的影響。據統計，振動環境因素所引起的電子元器件失效所占的比重越來越高。

為了提高產品質量，保持產品性能長期穩定可靠，更多設計制造單位通過工程應用中失效分析來發現問題，確定失效機理，改進設計和工藝制造水平，提升產品核心競爭力。

本文基于某波控專用芯片的失效現象，通過有限元仿真方法對該電子元器件隨機振動試驗后的失效模式進行仿真，分析得到隨機振動對鍵合絲的影響在可控范圍之內。同時，對在不同的隨機振動條件及不同鍵合絲跨度下的振動狀態進行仿真，分析隨機振動對鍵合絲變形情況及對產品可靠性的影響，用以指導產品鍵合。

1 失效模式確認

失效樣品為某款TR組件波控電路芯片，陶瓷封裝，用于數字前級控制電路和后級波控芯片之間的專用集成電路。該電路由用戶安裝到整機PCB板，經歷ESS試驗的“隨機振動應力篩選”后，出現短路失效。

1.1 外部檢查

采用光學顯微鏡對失效樣品進行外觀目檢，未發現裂紋等明顯異常現象。

1.2 電性能測試

為了確定失效樣品的失效特性，鑒別失效模式，利用晶體管圖示儀對樣品進行I-V特性曲線對比測試[1]。結果為：樣品B3引出端對A2引出端的I-V特性曲線為短路特性；樣品相同功能的引出端A4、B4間的I-V特性曲線為結特性。典型I-V特性曲線見圖1、圖2。

圖1 A2、B3間的I-V特性

圖2 A4、B4間的I-V特性

1.3 X射線檢測

為檢測樣品封裝內的缺陷和損傷，利用X射線檢測系統對樣品進行X射線檢測。經觀察發現，樣品內部A2、B3對應的內部鍵合絲橋連在一起，樣品其余位置未見異常形貌，典型形貌見圖3、圖4。

圖3 樣品鍵合絲透視

圖4 鍵合絲橋連透視圖

1.4 開封后內部目檢

為檢測樣品內部的組裝、鍵合、芯片等結構是否符合要求，采用機械方法對樣品進行開封，展現內部全貌。

內部觀察發現，樣品A2對應鍵合絲向B3發生傾斜，鍵合絲橋連在一起；A2對應的鍵合絲的弧度與其他同樣長度鍵合絲相比未見明顯異常，B2對應的鍵合絲未發生明顯的偏移、傾斜的現象。失效鍵合絲所在區域部分鍵合絲之間間距差異較大、高度不一致，且A2對應的鍵合絲表面有刮蹭形貌，如圖5、圖6所示。

圖5 鍵合絲橋連區域形貌

圖6 樣品鍵合絲刮蹭形貌

為進一步分析該電路鍵合絲橋連原因，建立有限元分析模型進行隨機振動分析，判定電路安全工作范圍。

2 隨機振動有限元分析

2.1 隨機振動

隨機振動是工程應用中普遍存在的一種振動，它不能用確定的函數來描述，一般呈現統計規律。為有效分析其影響，一般通過振動系統模型來模擬振動環境。

在傳統機械強度設計方法學中，使用安全系數法[2]來表征機械強度的影響，即認為零部件的工作應力S和其材料強度r為確定單值，定義安全系數為：

K=r/s （1）

以K值大小來判定是否安全工作。

而近年來，隨著計算機的廣泛應用，有限元分析成為固體結構分析的強有力工具。

2.2 有限元分析方法及結果討論

針對失效樣品鍵合絲短路失效問題，通過有限元分析方法重點分析鍵合絲（Au絲）在隨機振動作用下的變形及應力狀態[3]。基于有限元軟件進行計算，模型包含鍵合絲、芯片、焊盤、外殼等結構，固定約束面為所有管腳柱面。各模型組件材料特性見表1所示。

表1 封裝材料特性

2.2.1 模型參數設置

失效樣品采用PGA176A外殼封裝，考慮到鍵合絲跨度對振動狀態的影響，模型中最長鍵合絲跨度分別取值為4 mm、4.3 mm、4.5 mm，拱高依據外殼內腔尺寸取最大值，用于有限元分析的三維模型如圖7所示。

圖7 仿真三維模型

鍵合絲與鍵合指、芯片Pad之間的連接定義為“Bonded”類型，不存在切向的移動以及法相的相互分離。依據用戶提供的環境應力篩選隨機振動試驗條件，調用隨機振動模塊的PSD單元進行加載（作用于引腳圓柱面）。

2.2.2 鍵合絲變形情況計算

沿X方向施加隨機振動載荷，得到1σ、2σ、3σ的X方向變形分別如圖8所示，其變形分別為0.210 8 μm（68.269 %）、0.421 6 μm（95.45 %）、0.632 4 μm（99.73 %）。

圖8 X方向變形情況

分別計算沿X、Y、Z三方向施加隨機振動載荷條件下鍵合絲的變形，取置信度最高的3σ結果進行分析。

1）沿X方向振動

沿X方向隨機振動載荷引起的鍵合絲沿X、Y、Z方向的變形分別如圖9所示。

圖9 沿X方向震動變形情況

2）沿Y方向振動

沿Y方向隨機振動載荷引起的鍵合絲沿X、Y、Z方向的變形分別如圖10所示。

圖10 沿Y方向震動變形情況

圖10 沿Y方向震動變形情況

3） 沿Z方向振動

沿Z方向隨機振動載荷引起的鍵合絲沿X、Y、Z方向的變形分別如圖11所示。

圖11 沿Z方向震動變形情況

由計算結果可得，沿著Z方向的隨機振動載荷引起的鍵合絲沿Z方向的變形最大，達到0.720 2μm（99.73 %），變形量占鍵合絲直徑的比例為2.4 %，屬于小變形問題。

2.2.3 最大變形情況下應力水平

隨機振動載荷沿Z方向加載時鍵合絲變形最大，該情況下的等效應力為5.01 MPa（99.73 %），如圖12所示，最大應力發生在鍵合點頸部應力集中區域。金材料的屈服極限為110 MPa，取S=1.4的安全系數，許用應力為78.57 MPa，鍵合絲應力水平低于材料許用應力，在該條件下99.73 %以上概率處于彈性狀態。

圖12 Mises應力（3σ）

2.2.4 鍵合絲跨度及載荷條件變化的影響

進一步考核鍵合絲變形隨載荷的變化，加大載荷的加速度總均方根值（Grms）至15.94 g，沿著Z方向的隨機振動載荷引起的鍵合絲沿Z方向的變形最大，達到1.610 5 μm（99.73 %），該情況下的等效應力為11.21 MPa（99.73 %），應力水平仍低于材料許用應力。

分析最長鍵合絲跨度分別取值為4 mm、 4.3 mm、4.5 mm情況下的振動狀態。依據用戶給定隨機振動載荷條件計算，模態頻率、變形量與跨度的關系如表2所示。

表2 正常載荷條件計算結果

由分析結果可知，在用戶振動條件下，4.5 mm跨度鍵合絲最大變形量級微小，等效應力（7.46 MPa）低于材料許用應力。即使加大振動的加速度總均方根值（Grms）至15 g之后，該鍵合絲最大變形達到約2.9 μm，等效應力（16.68 MPa）仍低于材料許用應力。綜上所述，鍵合絲在該振動條件下99.73 %（3σ）以上概率處于彈性狀態，變形、應力較小，即發生彈性形變后會自動恢復原貌。

3 隨機振動試驗

為驗證分析結果，確定電路在用戶使用及更嚴苛振動應力條件下，電路內鍵合絲是否會接觸短路，

對產品進行6.06 g、10 g、15 g三種振動應力條件下的隨機振動試驗。振動后電路X射線照片如圖13、圖14。

圖13 6.06 g應力下振動后電路

圖14 15 g應力下振動后電路

試驗結果表明，電路在經過三次振動后，鍵合絲均無變形短路，該產品能經受用戶的6.06 g、10 g、15 g振動試驗應力。

4 失效原因分析

通過對產品的分析及實測，證明該產品使用環境應力低于材料許用應力[4]，在使用中不會因隨機振動導致短路失效。對失效樣品分析中發現，A2對應的鍵合絲弧度與其他同樣長度鍵合絲相比未見明顯異常，B3對應鍵合絲未發生明顯的偏移、傾斜現象，因此可以排除振動應力對該類型鍵合絲的影響。

根據鍵合絲刮蹭情況及前期鍵合完成時鏡檢情況，推測失效樣品在人工封帽階段，可能輕微觸碰鍵合絲，使鍵合絲發生傾斜和偏移現象，導致與相鄰鍵合絲間距減小，在后續振動應力下，鍵合絲之間發生碰撞和橋連，導致失效。

5 結論

從產品可靠性角度分析，隨機振動應力是產品使用中必須考慮的失效因素[5]，通常作用于器件的應力包括載荷（力、力矩、轉矩等）、位移、應變、溫度、磨損量、電流、電壓等，在產品加工過程中，需要充分考慮鍵合絲的隨機振動可靠性情況，保證產品在留有充分裕量的環境下工作。

隨機振動有限元分析法是很有效的振動環境及影響分析方法，通過不同的應力條件及封裝條件設置，模擬產品在機械振動環境下的各種應力狀態，該分析方法被廣泛應用于產品失效分析。