吳世芳，潘進(jìn)豊，謝杰任

（1.蔚思博檢測技術(shù)(合肥)有限公司車電功能安全服務(wù)事業(yè)處，上海 201203；2.虎尾科技大學(xué)，臺灣云林 63230）

1 引言

芯片（IC）封裝常見的封裝失效物理機(jī)制（Physical of Failure）有封裝材料分層、芯片破裂、焊點(diǎn)疲勞等，本研究的出發(fā)點(diǎn)為基于封裝失效模式評估封裝失效率（λpackage）。

就研究性而言，有許多研究采用有限元分析方法（Finite Element Analysis,FEA）建模，建模過程須多方數(shù)據(jù)、假設(shè)和仿真，眾多研究已對材料分層方面進(jìn)行探討[1-3]，F(xiàn)EA適用于一種或兩種失效機(jī)制建模，常用于特定失效模式更深入或精準(zhǔn)的研究。

就普遍性而言，可靠性工程師常用可靠度手冊或國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠性評估，常見的可靠度手冊為某公司或組織收集自家產(chǎn)品的數(shù)據(jù)所整理出來的失效率估計方法，例如貝爾通訊Telcordia SR-332，西門子SN 29500，法國空巴FIDES；而常見的國際標(biāo)準(zhǔn)有MIL-HDBK-217F、IEC TR-62380、IEC 61709等。相對于有限元分析，直接引用可靠度手冊或國際標(biāo)準(zhǔn)令人垢病的是，沒有在足夠科學(xué)的基礎(chǔ)上考慮設(shè)計、制造過程和選用材料/零件（Bill of Material,BOM）對產(chǎn)品可靠性的影響[4]；往往未針對故障機(jī)制先進(jìn)行準(zhǔn)確建模，也未考慮故障物理現(xiàn)象；或者沒有給出預(yù)測的任何置信度（Confidence Level）；另一個主要問題是過時的參考數(shù)據(jù)和資料，除了FIDES 2009A(2010)[5]、IEC 61709(2017)[6]、SN29500-2(2010)[7]、SN29500-11(2015)[8]、SN29500-15(2016)[9]及SN 29500-16(2015)[10]外，其余最新版本皆早于2010，眾所皆知，先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展日新月異，從單一芯片封裝到系統(tǒng)級封裝（System in a Package，SiP），演進(jìn)2D、2.5D直至3D；增加工藝如金屬凸塊(Bumping)、再布線工藝(Redistribution Layer，RDL)、中介層(Interposer)、硅通孔(Through-Silicon Via，TSV)等，發(fā)展出各類型的封裝，如天線封裝(Antenna in Package，AiP)、集成扇出型封裝(Integrated Fan-out，InFo)、芯片在晶圓基板封裝(Chip on Wafer on Substrate，CoWoS)、芯片在基板扇出型封裝(Fan-out Chip on Substrate，F(xiàn)oCoS)、扇出型晶圓級封裝(Fan-out Wafer Level Package，F(xiàn)OWLP)等，單一手冊或標(biāo)準(zhǔn)已難以涵括各類型封裝的失效率預(yù)估，如果IEC 62380繼續(xù)被認(rèn)同，則重新梳理修整是必然的，本研究提出可參考增修的方向。

就通用性而言，國際電工委員會(IEC)發(fā)布的IEC TR-62380[11]是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界常被引用的國際標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)以電子產(chǎn)品整個任務(wù)輪廓中的熱效應(yīng)用于故障率預(yù)測。IEC在2018年通告IEC 62380下架，并以IEC 61709取代，其采用的可靠性影響因子數(shù)值仍是1992—2001年間所采集的數(shù)據(jù)，而且失效率預(yù)估前未先就故障機(jī)制準(zhǔn)確建模。盡管如此，歐美各主要芯片供貨商并未放棄使用IEC 62380，其原因是歐美芯片供貨商自使用IEC 62380起，芯片失效率估算經(jīng)過后續(xù)幾個世代現(xiàn)場或者測試數(shù)據(jù)的可靠度發(fā)展及校正，俾助精確的預(yù)測該產(chǎn)品系列的失效率，其失效率預(yù)估只是其預(yù)測的起點(diǎn)值，而非終點(diǎn)值；另一方面，IEC 61709未提供其數(shù)學(xué)公式中參考條件下（40℃）的故障率λref，單單引用IEC61709并無法獨(dú)立完成故障率預(yù)測。

本文以IEC 62380探討車用塑封芯片λpackage為主軸，以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)估算模型為基礎(chǔ)，就以下3個方面進(jìn)行了研究與探討：1)車用供應(yīng)鏈彼此間任務(wù)輪廓信息交換的方式和內(nèi)容；2)發(fā)展封裝失效率估算方法和流程；3)延伸發(fā)展估算合理化方法和流程。

未來幾年，汽車行業(yè)的發(fā)展路線圖是電動汽車和自動駕駛，它的實(shí)現(xiàn)將帶來與汽車本身的發(fā)明同等質(zhì)的變化。傳統(tǒng)機(jī)動車輛主要是機(jī)械傳動系統(tǒng)，但未來是電子控制系統(tǒng)，智能化新功能提高了駕駛員和其他道路使用者的安全性，這意味著許多電子組件必須重新以面向安全的開發(fā)過程才能實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)，而其最直接的要素便是電子化系統(tǒng)的可靠性提升。而大部分芯片供貨商原是提供消費(fèi)類產(chǎn)品的解決方案，對于消費(fèi)類產(chǎn)品而言，僅約3～5年的使用壽命就足夠了，但汽車行規(guī)的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)卻長達(dá)10～15年，因此功能安全與可靠性設(shè)計將是開發(fā)階段首先要面對的課題，而失效率預(yù)估正是功能安全與可靠性設(shè)計的必要輸入，所以，本文以一個實(shí)際汽車芯片封裝驗(yàn)證案例為例，提供佐證以協(xié)助理解車用塑封集成電路封裝失效率估算。

2 任務(wù)輪廓

IEC 62380的可靠度估計必須根據(jù)其現(xiàn)場使用條件進(jìn)行，即首要定義任務(wù)輪廓，因?yàn)槿蝿?wù)輪廓足以左右電子組件的可靠性，所謂的任務(wù)輪廓為“在完整的生命周期中，電子部件或組件在其所有預(yù)期應(yīng)用環(huán)境中，由工作條件表述其工作周期或熱負(fù)荷、功能負(fù)荷和其他應(yīng)力等相關(guān)條件”，然而因個人使用條件、使用環(huán)境、操作習(xí)性的差異，電子部件任務(wù)輪廓肯定都無法對完整生命周期給予完善的定義，為此，IEC 62380建議考慮以下不同的操作模式階段，給復(fù)雜的任務(wù)輪廓有可循的方向去描述：各種平均外部溫度的開/關(guān)工作階段（熱循環(huán)）；具有各種平均外部溫度波動的永久工作階段（日間/夜間，及春夏秋冬，周期性升溫)；存儲或休眠階段模式具有各種平均外部溫度波動（日夜溫差）。

即便有規(guī)范建議，對于產(chǎn)業(yè)下游的芯片供應(yīng)商，建立任務(wù)輪廓仍有障礙，因?yàn)橹挥蠴EM知道各個電子組件上的外部環(huán)境負(fù)載、組件的安裝位置以及確切生命周期[13]，通常也只有Tier1/Tier2供應(yīng)商才知道電子化系統(tǒng)本身產(chǎn)生的總負(fù)載（例如自熱）及限制，而任務(wù)輪廓主要在汽車環(huán)境中用于指定熱負(fù)荷、功能負(fù)荷和其他應(yīng)力，具體取決于電子控制單元（ECU）、芯片等的特定工作狀態(tài)，這卻是芯片供貨商負(fù)責(zé)的范疇。因此，安全可靠的開發(fā)項(xiàng)目要求必須透過OEM牢固地傳遞給Tier1/Tier2直至IC供貨商，并對供應(yīng)鏈內(nèi)的提案加以考慮和審查，任務(wù)輪廓在整個供應(yīng)鏈中交換信息如圖1所示，如果這些信息的交換是明確的并且基于共同標(biāo)準(zhǔn)，則可以避免許多迭代甚至錯誤。

圖1 供應(yīng)鏈上的任務(wù)輪廓信息交換

當(dāng)前汽車開發(fā)過程中，在供應(yīng)鏈上的開發(fā)合作伙伴之間沒有開啟交換有關(guān)任務(wù)輪廓信息的管道，尤其是芯片供貨商大多屬于SEooC[15](Safety Element out of Context)，更難取得上游廠商的確切信息，雖然在IEC 62380中提供了引擎室(Motor Control)和乘客艙(Passenger Compartment)兩種應(yīng)用場景，仍不能以一概全，芯片開發(fā)商必須根據(jù)芯片的工作場景及操作型態(tài)給予相應(yīng)的調(diào)整，并經(jīng)由可靠度發(fā)展建立該車用電子的任務(wù)輪廓。

3 封裝失效率預(yù)估數(shù)學(xué)建模及估算流程[11,14]

芯片封裝在正常工作期間功耗散發(fā)的熱量或環(huán)境溫度變化導(dǎo)致熱波動或熱循環(huán)，觸發(fā)熱漲冷縮的物理現(xiàn)象，從而導(dǎo)致封裝材料之間、封裝與芯片間或封裝本體引腳與電路板互連焊點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，亦或是熱循環(huán)產(chǎn)生反復(fù)伸張/壓縮(Tension/Compression)的剪應(yīng)力。這是由于封裝各個組件間的材料特性和熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)的不同而導(dǎo)致，最終造成芯片功能失效或降級(Degradation)，這即是IEC 62380封裝故障率建模的基礎(chǔ)理論。

It should be noted that this might be the first time that the word “independence”was associated with Tibet within a United States government document.

IEC 62380將整體IC故障率λ分為3個數(shù)學(xué)模型：硅芯片故障率λdie、封裝故障率λpackage和過壓故障率λoverstress。本文只探討λpackage。

式中，πa為電路板和封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)差相關(guān)的影響因子，

αs和αc的參考值見表1；ΔTi為任務(wù)曲線第i個任務(wù)的平均振幅變化，

表1 封裝與PCB材料CTE[11]

(tae)i為任務(wù)輪廓第i階段設(shè)備周圍環(huán)境溫度的平均值，(tac)i為在鄰近組件的PCB平均環(huán)境溫度，tac等于PCB附近組件的平均升高溫度與tae的和，ΔTj為在τon階段消耗功率導(dǎo)致的組件內(nèi)部溫度增加量；(πn)i為第i個影響因素，與熱變化的年循環(huán)次數(shù)有關(guān)，其溫度振幅為ΔTi，ni為第i個影響因素?zé)嵫h(huán)年次數(shù)，當(dāng)ni≤8760次/年時，

當(dāng)ni>8760次/年時，

πa、ΔTi和(πn)i等3個失效因子相加成的效應(yīng)被認(rèn)為是造成封裝失效模式的根本原因。對應(yīng)于加速壽命實(shí)驗(yàn)方法，可用JEDEC的功率循環(huán)[16](Power Cycling,PC)和熱循環(huán)[17](Thermal Cycling,TC)判斷電子封裝組件的允收與否。在此效應(yīng)下，最容易受到傷害的區(qū)域是硅芯片表面邊緣和此區(qū)域的焊球，因?yàn)檫吘壩恢蒙系谋砻鎽?yīng)力和剪力應(yīng)變量最大[1]，另外芯片中心所受到的彎曲應(yīng)力(Bending Stress)最大，常見的失效模式是芯片破裂，如圖2所示，這兩種加速測試方法非常接近實(shí)際故障情境，可作為測試驗(yàn)證。

圖2 溫度變化造成的封裝失效

關(guān)于集成電路封裝的基本故障率λ3，IEC 62380提供了兩個查表，見表2及表3。表2視為非表面黏貼(non-SMT)類型芯片，λ3個別以引腳數(shù)量（S）為函數(shù)。表3則為SMT類型芯片，λ3以封裝體對角線長（D）為函數(shù)，再細(xì)分為兩種類型：一種是導(dǎo)線架（LF）的封裝，以S和引腳間距（Pitch）取代長度來計算D，如表3中Note（1）及Note（2）；另一種是球柵陣列（BGA）封裝，以長度和寬度來計算D，如表3中note（3）及note（4）。不可否認(rèn)的是，表列的封裝類別無法囊括所有的封裝型態(tài)，尤其是先進(jìn)封裝類型，如2D/2.5D/3D IC封裝，如果表上沒有合適的封裝類別，建議找相似類型的封裝來做評估，畢竟從數(shù)學(xué)模式來看，影響λ3最大的因素是S或是D，而影響λpackage最大的是λ3與熱漲冷縮效應(yīng)的加乘效果。

表2 λ3值：以封裝引腳數(shù)S為函數(shù)[11]

表3 λ3值：對于SMT，以封裝對角線D為函數(shù)[11]

這個失效率預(yù)估數(shù)學(xué)模型缺少了高溫老化的失效效應(yīng)，即便ΔTi已經(jīng)包含了ΔTj，但是其高溫效應(yīng)僅局限于1/3的ΔTj量度，對于當(dāng)代高度可靠要求的復(fù)雜先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)建模是不足的，當(dāng)2.5D/3D IC封裝處于高熱環(huán)境下，會引起封裝材料之間、封裝材料與芯片間諸如分層和開裂之類的失效機(jī)制[3]，可用JEDEC高溫存儲[18](HTSLT)作為壽命加速實(shí)驗(yàn)方法，其失效原理是因?yàn)殚L期處于高于底部填充材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的環(huán)溫下，造成填充材料(Underfill)的老化質(zhì)變，使填充材料/硅的界面強(qiáng)度減弱，而發(fā)生TSV中介層及底部填充材料分層或開裂的失效機(jī)制，如圖3所示，此時對失效的芯片進(jìn)行FT(Final Test)，很容易看見Open/Short現(xiàn)象，這將是IEC 62380數(shù)學(xué)模型未來改善的方向之一，高溫場景下操作可考慮將阿瑞尼斯方程式(Arrhenius Equation)加入數(shù)學(xué)模型之中，譬如JEDEC 122H[19]以Norris Landzberg Model加乘Arrhenius Equation來估計可靠度。

圖3 高溫老化的失效效應(yīng)

另外，此數(shù)學(xué)模型也沒有相對濕度的影響效應(yīng)，主要是因?yàn)榕c溫度效應(yīng)相比，濕度相關(guān)的故障率微不足道，特別是對于現(xiàn)代芯片，氮氧化物(Oxynitride)保護(hù)層對抗水氣的能力超強(qiáng)，因此可假設(shè)潮濕環(huán)境導(dǎo)致的密封外殼的故障率是零（λ0RH=0）[5,11]。

本文根據(jù)IEC 62380數(shù)學(xué)模型，發(fā)展了一個有層級、有順序、有邏輯的λpackage估計流程（見圖4），此流程可協(xié)助封裝失效率估算循序漸進(jìn)、按步就班地完成。

圖4 λpackage估計流程

4 芯片封裝失效率估計合理化

第3節(jié)中估計λpackage數(shù)學(xué)模型是基于對器件封裝本身以及和系統(tǒng)印刷電路板的結(jié)構(gòu)和熱特性的理解而建立，此數(shù)學(xué)模型同時包含封裝體內(nèi)部和電路板焊點(diǎn)所有的故障模型，根據(jù)第3節(jié)數(shù)學(xué)模型不難發(fā)現(xiàn)蠻多焦點(diǎn)關(guān)注于熱應(yīng)力循環(huán)造成芯片封裝體與電路板(焊點(diǎn))之間的連接問題，事實(shí)上，封裝連接點(diǎn)和電路板之間連接的失效率取決于更多的因素，這些因素往往涉及電路板的特定設(shè)計，因此業(yè)界認(rèn)同芯片封裝體與電路板的焊點(diǎn)故障可在電路板設(shè)計與電路板組裝工藝中克服，應(yīng)歸類于電路板失效或是工藝改善的議題[15]，理當(dāng)在系統(tǒng)或組件級的FMEA分析期間由系統(tǒng)集成商考慮，況且其他標(biāo)準(zhǔn)的失效率估計也不含焊點(diǎn)失效率，而封裝連接電路板之間相關(guān)的失效率估計約占整個λpackage的20%[20]，芯片封裝體的失效率(λpackagew/osolder)約占λpackage的80%。

先將λpackagew/osolder平均，再分布給每支引腳的失效率(λpin)，即λpin是通過將封裝體失效率除以封裝的總引腳數(shù)得到的。

而芯片并非每支引腳/焊球(Pin/Ball)都有引線鍵合，芯片封裝中有若干屬于非接觸(No Contact,NC)引腳/焊球，該引腳失效并不會造成芯片功能異常，故而只加總實(shí)際引線鍵合引腳/焊球數(shù)量的失效率，即是有效封裝體失效率(λpackage_true)：從而達(dá)成了芯片封裝失效率的合理化估計，詳細(xì)合理化流程如圖5所示。

圖5 封裝失效率估計合理化流程

5 實(shí)際驗(yàn)證案例

IEC 62380中λpackage預(yù)估根據(jù)熱效應(yīng)和任務(wù)輪廓，環(huán)境熱效應(yīng)具有溫升兼熱循環(huán)；操作熱效應(yīng)會產(chǎn)生ΔTj，ΔTj的計算基于組件芯片的功耗和封裝熱阻(取決于封裝類型、封裝引腳數(shù)和氣流)，欲降低λpackage亦應(yīng)慎選封裝類型。

以下案例分析采用如表4所示的IEC 62380任務(wù)輪廓。τon為在有電源的工作模式下的總時間占比；τoff為在非工作或存儲/休眠模式下設(shè)備的總時間比例，τon+τoff=1；白天平均溫度為15℃，夜間平均溫度為5℃；開車時間為每天白天4次，每夜2次，整天都未使用的車輛每年30天；全年度總開車時間平均500 h。

表4 車用電子任務(wù)輪廓[11]

案例分析：

有一通訊芯片應(yīng)用于車內(nèi)的訊息傳遞，其封裝為0.50 mm節(jié)距，PQFP 128（14 mm×20 mm），芯片引腳分配如圖6所示，ΔTj=30℃，共有18支NC引腳，以SMT方式組裝在FR4電路板上，其合理封裝失效率預(yù)估見表5。

圖6 芯片引腳分配(Pin Assignment)

表5 案例：封裝失效率整理

λ3使用表3 SMT類別，取決于D的函數(shù)，其寬度為14 mm，S為128，pitch為0.5 mm，先計算D值，如表3中Note（2），再計算λ3，如表3中型2。使用式(2)計算影響因子πα，表1給出了αs(電路板CTE)=16和αc(封裝體CTE)=21.5。個別計算白天開車、夜間開車及不開車的溫度振幅ΔTi，如式(3)及表4。對于溫度年循環(huán)數(shù)(開關(guān)次數(shù))都小于等于8760的汽車操作輪廓，參數(shù)(πn)i使用式(4)計算，ni為振幅ΔTi的年循環(huán)數(shù)。使用表4所示的“乘客艙電機(jī)控制”任務(wù)輪廓，結(jié)果總封裝失效率（包含與電路板連接焊點(diǎn)）如式(1)，λpackage=97 FIT。不包含焊點(diǎn)的封裝的總故障率如式(6)，λpackagew/osolder=77 FIT。假定封裝故障率在引腳之間平均分配，引腳故障率如式(7)，為λpin=77/128=0.6（FIT）。只計算110支（128-18）接觸引腳的失效率，封裝體失效率如式(8)，λpackage_true=0.6×110=66（FIT），其值僅約占總封裝失效率的2/3。

6 結(jié)論

本文藉由IEC 62380的芯片封裝失效率預(yù)估，討論與封裝失效有關(guān)的影響因子和對應(yīng)的失效模式，特別是溫度變化造成封裝材料之間、封裝材料與芯片間、封裝本體與焊點(diǎn)互連中的應(yīng)變和應(yīng)力而引發(fā)的封裝材料分層、芯片破裂、焊點(diǎn)疲勞等失效，同時也說明了IEC 62380的不足之處，如高溫老化效應(yīng)。此外，本文建議上下游供應(yīng)鏈間應(yīng)進(jìn)行任務(wù)輪廓信息交換。

同時本文根據(jù)數(shù)學(xué)模型發(fā)展λpackage估計流程和合理化邏輯，因?yàn)橹行头庋b體以上的封裝失效率如依據(jù)IEC 62380的數(shù)學(xué)模型預(yù)估，結(jié)果動輒超過100 FIT，使用的方法可得到較合理、準(zhǔn)確且較低的估計值，以實(shí)際驗(yàn)證案例結(jié)果而言，比原預(yù)估值降低近1/3，這對后續(xù)的功能安全設(shè)計與可靠度設(shè)計有較大幫助。