一種系統(tǒng)級封裝器件的結(jié)構(gòu)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種元器件結(jié)構(gòu)分析方法，特別是系統(tǒng)級封裝元器件的結(jié)構(gòu)分析方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和社會的需求，航天器用電子產(chǎn)品逐漸向尺寸小，厚度 薄，重量輕和高性能、多功能的微小型化發(fā)展，先進封裝組裝以及系統(tǒng)集成技術(shù)的快速發(fā) 展，使得滿足微小型化發(fā)展趨勢的系統(tǒng)級封裝器件應運而生。系統(tǒng)級封裝器件（SiP)是采 用任何組合，將多個具有不同功能的有源電子器件與可選擇性的無源元件以及光學器件等 其他器件組裝成為可以提供多種功能的單個標準封裝件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。之前 一個印制電路板組件實現(xiàn)的功能現(xiàn)在只需要一個系統(tǒng)級封裝器件即可完成，極大滿足了微 小型化的應用需求。
[0003] 從組裝結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)級封裝器件也是將多個不同種類元器件集成在一個封裝體 內(nèi)，但它無論在功能上還是在結(jié)構(gòu)上與混合集成電路有著質(zhì)的區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下幾個 方面：
[0004] (1)功能的系統(tǒng)性。SiP實現(xiàn)的是一個單機乃至一個系統(tǒng)的功能，而混合集成電路 只能完成一個器件的功能；
[0005] (2)元器件的高密度布局帶來集成度上質(zhì)的飛躍。功能系統(tǒng)性的要求使得SiP內(nèi) 部元器件的種類和數(shù)量比混合集成電路呈現(xiàn)數(shù)量級的增長，而封裝體尺寸并沒有明顯變 化，因而內(nèi)部元器件的布局密度大大提高。
[0006] (3)先進互聯(lián)與組裝技術(shù)的應用。為了實現(xiàn)封裝體內(nèi)高密度、多種類、大數(shù)量元器 件的布局，SiP內(nèi)應用了低溫共燒陶瓷（LTCC)基板、芯片堆疊、多層高密度鍵合等先進的互 聯(lián)組裝技術(shù)，這是在混合集成電路等其他元器件內(nèi)不具備的。
[0007] 在航天器等對元器件提出高可靠嚴格要求的應用環(huán)境中，元器件的固有可靠性是 決定整個工程成敗的一個關(guān)鍵因素。元器件的固有可靠性取決于元器件的結(jié)構(gòu)設計、材料 選用、生產(chǎn)工藝，為了避免給宇航項目等重大工程造成進度和經(jīng)濟上的重大損失，必須對選 用元器件的設計、結(jié)構(gòu)、工藝、材料等影響元器件可靠性的因素進行分析評價，通過分析潛 在的失效模式與機理挖掘可靠性隱患，目的是對元器件滿足評價要求和相關(guān)項目運行要求 的能力作出判斷，避免可靠性不高的不適當?shù)脑骷糜谟詈健?br>[0008] 國際宇航界在20世紀90年代初提出結(jié)構(gòu)分析的概念，并且早期較多的針對半導 體器件開展了一些結(jié)構(gòu)分析工作，但分析工作只針對具體器件，未形成通用方法。國外對于 器件的結(jié)構(gòu)分析工作主要是以試驗項目為主線，根據(jù)預設的試驗流程和試驗項目所能獲取 的結(jié)構(gòu)、設計、工藝和材料信息進行結(jié)構(gòu)分析。
[0009] 國內(nèi)雖較國外起步晚，但部分宇航元器件質(zhì)保單位也已開展了結(jié)構(gòu)分析的方法研 究并進行了相關(guān)工作，結(jié)構(gòu)分析工作正作為一個越來越重要的項目逐漸滲透到航天元器件 的質(zhì)量保證過程中。上海航天技術(shù)研究院發(fā)表在《質(zhì)量與可靠性》上的研究成果"結(jié)構(gòu)分析 在航天可靠性技術(shù)的應用與實踐"中總結(jié)了結(jié)構(gòu)分析的常用方法，中國空間技術(shù)研究院的 研究成果"數(shù)字信號處理器件的結(jié)構(gòu)分析方法"（專利號：ZL 2011 1 0409851.8)提供了一 種數(shù)字信號處理器件的結(jié)構(gòu)分析方法，包括將數(shù)字信號處理器件分解成各個結(jié)構(gòu)單元，從 設計、工藝和材料方面識別每個結(jié)構(gòu)單元的各項結(jié)構(gòu)要素，對于各個結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)要素 進行評價。
[0010] 由于SiP與普通器件（包括混合集成電路）存在明顯差異，分析上述專利與文章 中指出的結(jié)構(gòu)分析方法，發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾點不足：
[0011] (1)該專利中提出的方法僅針對數(shù)字信號處理器為代表的單個器件，采用拆分結(jié) 構(gòu)單元的方法分別評價，而SiP是大量多種類元器件的組合，元器件不同的布局方式會產(chǎn) 生不同的相互影響（力、熱、電磁等），進而決定整個SiP的可靠性，因而不僅應對SiP內(nèi)的 所有元器件按照專利提出的方法流程進行分析評價，而且應對元器件布局對力熱電磁可靠 性的影響進行分析評價，專利中的流程方法缺少相應的分析評價方法，而文獻中也僅提出 可使用紅外熱像觀察熱分布，未對元器件布局對力熱電磁可靠性的影響提出覆蓋性全的通 用技術(shù)方法；
[0012] (2)該專利及文獻中提出的結(jié)構(gòu)分析流程方法中缺少環(huán)境應力試驗，無法對SiP 器件在實際環(huán)境使用中的耐環(huán)境應力（力熱可靠性）進行真實評價，而這也是器件結(jié)構(gòu)可 靠性的重要內(nèi)容，對于SiP內(nèi)部多種類元器件高密度布局的結(jié)構(gòu)環(huán)境應力試驗的評價更加 重要；
[0013] 綜上，上述專利存在的問題是：對SiP器件進行分析時覆蓋性和深度的不足，沒有 進行更全面的試驗與分析評價，分析結(jié)果可靠性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種針對系統(tǒng)級封裝器件 的結(jié)構(gòu)分析方法，該方法綜合考慮SiP器件的特征，提高了 SiP器件的可靠性，以滿足航天 應用的要求。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種系統(tǒng)級封裝器件的結(jié)構(gòu)分析方法，實現(xiàn)步驟如 下：
[0016] (1)對系統(tǒng)級封裝器件即SiP器件進行結(jié)構(gòu)單元分解，得到分解后的結(jié)構(gòu)單元，并 識別其中的結(jié)構(gòu)要素；
[0017] (2)對步驟（1)得到的SiP器件中每個結(jié)構(gòu)單元進行可靠性評價，是否滿足航天應 用要求；如果滿足則進入步驟（3)，如果不滿足，則該SiP器件不適合航天應用，則結(jié)構(gòu)分析 過程結(jié)束；
[0018] (3)對SiP器件進行力、熱、力熱耦合、電磁的仿真分析與評價，其中力的仿真分析 與評價包括SiP器件在振動、沖擊及恒加速度中的力學響應與產(chǎn)品耐受強度是否符合航天 應用的可靠性裕度要求，同時找出SiP器件的力學薄弱點；熱的仿真分析與評價包括SiP 器件在不同溫度工作環(huán)境、不同工作模式下SiP器件的內(nèi)部元器件的熱分布與元器件耐受 的溫度應力極限是否符合航天應用的可靠性裕度要求；力熱耦合仿真分析與評價包括溫度 沖擊與循環(huán)試驗過程中，SiP器件的內(nèi)部元器件及裝聯(lián)產(chǎn)生的熱應力是否符合航天應用的 可靠性裕度要求；電磁仿真分析與評價包括SiP器件的內(nèi)部元器件之間的電磁兼容與電磁 干擾是否符合航天應用的可靠性裕度要求；如果SiP器件通過了上述所有的力、熱、力熱耦 合、電磁的仿真分析與評價則進入步驟（4)，否則有力、熱、力熱耦合、電磁的任何一項未通 過，則該SiP器件不適合航天應用，則結(jié)構(gòu)分析過程結(jié)束；
[0019] (4)對SiP器件進行環(huán)境應力試驗，環(huán)境應力試驗包括力學環(huán)境應力試驗和熱學 環(huán)境應力試驗，環(huán)境應力試驗中加電監(jiān)測SiP器件的功能；同時在力學環(huán)境應力試驗中，在 步驟（3)中的找出的力學薄弱點安放力學傳感器監(jiān)測力學響應；在熱學環(huán)境應力試驗中， 記錄熱學環(huán)境應力試驗中SiP器件內(nèi)的熱分布；如果SiP器件通過了力學環(huán)境應力試驗和 熱學環(huán)境應力試驗且力學響應和熱分布均符合航天應用的可靠性裕度要求，則整個結(jié)構(gòu)分 析過程結(jié)束，該SiP器件適合航天應用；否則有力學環(huán)境應力試驗和熱學環(huán)境應力試驗任 何一項未通過，則該SiP器件不適合航天應用，結(jié)構(gòu)分析過程結(jié)束。
[0020] 所述步驟（3)中的不同溫度工作環(huán)境是指SiP器件手冊給出的高溫、低溫和常溫。
[0021] 所述步驟⑶中的不同工作模式是指SiP器件手冊給出實現(xiàn)不同功能輸出的內(nèi)部 元器件工作狀態(tài)。
[0022] 所述步驟（4)中的力學環(huán)境應力試驗包括振動、沖擊、恒加速度。
[0023] 所述步驟（4)中的熱學環(huán)境應力試驗包括高溫、低溫、溫度沖擊與循環(huán)試驗。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明在SiP器件結(jié)構(gòu)單元分解的基礎(chǔ)上， 對SiP器件進行力、熱、力熱耦合、電磁的仿真分析與評價后，在評價中考慮了 SiP器件各結(jié) 構(gòu)單元之間的影響，包括力、熱、力熱耦合和電磁等；然后又進行環(huán)境應力試驗，對SiP器件 綜合全面的分析評價，提高了分析結(jié)果的可靠性。而現(xiàn)有技術(shù)只是對結(jié)構(gòu)單元單獨進行評 價與分析，沒有考慮全面的分析，不能滿足航天應用的可靠性要求。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明SiP器件結(jié)構(gòu)分析方法流程圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明實施例中某金屬陶瓷密封封裝SiP器件的結(jié)構(gòu)單元分解圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明實施例中某塑封器件堆疊類SiP器件的結(jié)構(gòu)單元分解圖；
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0029] 實施例1某金屬陶瓷密封封裝SiP器件的結(jié)構(gòu)分析
[0030] 本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：
[0031 ] 1、結(jié)構(gòu)單元與要素的分解、識別與評價
[0032] 本發(fā)明中的SiP器件采用金屬陶瓷密封封裝，按照SiP器件的結(jié)構(gòu)特點將其分解 成各個結(jié)構(gòu)單元，如圖2所示，包括標識、密封工藝、引出端與安裝方式、HTTC管殼及內(nèi)部連 接、厚膜基板、薄膜基板、LTCC基板、粘接、焊接、鍵合、內(nèi)部元器件。從設計、工藝與材料方 面識別每個結(jié)構(gòu)單元的各項結(jié)構(gòu)要素（如表1所示，表1是本發(fā)明實施例中某金屬陶瓷密 封封裝SiP器件的結(jié)構(gòu)要素矩陣），其中標識的結(jié)構(gòu)要素包括標識的方式方法以及使用適 用性，信息正確性、完整性及標識牢固度、標識位置，標識材料和工藝質(zhì)量；密封工藝的結(jié)構(gòu) 要素包括密封工藝與材料，密封質(zhì)量；引出端與安裝方式的結(jié)構(gòu)要素包括安裝方式、引出端 材料、引出端尺寸與結(jié)構(gòu)、引出端與管殼之間的封接形式；HTTC管殼及內(nèi)部連接的結(jié)構(gòu)要 素包括管殼的材料及其適用性、管殼的尺寸及加工質(zhì)量、管殼內(nèi)部金屬化布線及引出殼地 設置；厚膜基板的結(jié)構(gòu)要素包括厚膜基板材料及適用性、厚膜基板的工藝質(zhì)量；薄膜基板 的結(jié)構(gòu)要素包括薄膜基板的材料及適用性、薄膜基板的工藝質(zhì)量；LTCC基板的結(jié)構(gòu)要素包 括LTCC基板的材料選擇與結(jié)構(gòu)設計、LTCC基板的加工工藝質(zhì)量；粘接的結(jié)構(gòu)要素包括粘 接材料與工藝；焊接的結(jié)構(gòu)要素包括焊接材料與工藝；鍵合的結(jié)構(gòu)要素包括鍵合材料及工 藝、鍵合尺寸與布局；內(nèi)部元器件的結(jié)構(gòu)要素包括半導體芯片的質(zhì)量等級、安裝工藝適應性 及空間適應性，無源元件的質(zhì)量等級與安裝工藝適應性。
[0033] 2、對結(jié)構(gòu)單元的可靠性評價
[0034] 對步驟1得到的每個結(jié)構(gòu)單元進行可靠性評價，均滿足航天應用要求，進入步驟 3〇
[0035] 3、力、熱、力熱耦合、電磁的仿真分析與評價
[0036] 對該SiP器件進行物理建模并使用專業(yè)的有限元仿真分析軟件進行力、熱、力熱 耦合及電磁仿真分析與評價，力的仿真分析結(jié)果顯示該SiP器件在振動、沖擊及恒加速度 中的