本篇根據(jù)《電子微組裝可靠性設(shè)計(jì)（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(diǎn)介紹四個(gè)方面的內(nèi)容

一、基于失效物理可靠性設(shè)計(jì)方法的緣起和發(fā)展

二、基于失效物理可靠性設(shè)計(jì)方法的基本原理

三、基于失效物理可靠性設(shè)計(jì)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(jì)方法，即應(yīng)在產(chǎn)品性能功能設(shè)計(jì)的同時(shí)，考慮如何有效控制其固有的退化和失效風(fēng)險(xiǎn)。

一、基于失效物理可靠性設(shè)計(jì)方法的緣起和發(fā)展

自美國(guó)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(huì)并正式確定失效概念以來(lái)，PoF方法及其應(yīng)用研究已有50多年，目前PoF作為一個(gè)可靠產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方法已在行業(yè)和許多國(guó)家及地區(qū)得到廣泛認(rèn)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(dòng)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(gè)主要階段。

（1）1962—1966年，RADC發(fā)起并組織失效物理年度研討會(huì)，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(guó)際可靠性物理年會(huì)（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(jìn)行可靠性評(píng)估以彌補(bǔ)MIL-HDBK-21的局限性。

（3）2000—2016年，國(guó)際上多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)方法，形成對(duì)傳統(tǒng)手冊(cè)可靠性預(yù)計(jì)方法的補(bǔ)充。盡管1992年、1996年IPC標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布了IPC-SM-785和IPC-D-279標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)地介紹了PCB板SMT互聯(lián)焊點(diǎn)的熱疲勞、絕緣電阻退化等機(jī)理以及壽命評(píng)估模型，但關(guān)于電子器件及其封裝的各種失效機(jī)理模型，是在2000年后，由JEDEC、IEEE、FIDES、NASI/VITA等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)、封裝級(jí)到元器件級(jí)的失效物理可靠性評(píng)估方法。

我國(guó)也十分重視對(duì)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(yàn)等多種專著，對(duì)促進(jìn)我國(guó)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(wú)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(cè)，以及惡劣環(huán)境下（空間、深海、核爆等）產(chǎn)品的失效預(yù)測(cè)，通過(guò)軟件程序來(lái)運(yùn)行基于預(yù)測(cè)目的的算法，并結(jié)合底層元器件的失效物理預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的可靠性定量設(shè)計(jì)。

二、基于失效物理可靠性設(shè)計(jì)方法的基本原理

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

基于失效物理可靠性設(shè)計(jì)的基本原理，是通過(guò)控制誘發(fā)主要失效機(jī)理的應(yīng)力水平（Fr），使其不超過(guò)可靠性要求規(guī)定的應(yīng)力閾值（Sr），實(shí)現(xiàn)主要失效機(jī)理的有效控制。當(dāng)產(chǎn)品長(zhǎng)期工作時(shí)，規(guī)定應(yīng)力閾值（Sr）的獲取，需要根據(jù)可靠性指標(biāo)要求（失效率或壽命），由相關(guān)失效機(jī)理的“壽命—應(yīng)力”失效物理模型計(jì)算獲得；當(dāng)產(chǎn)品短期工作時(shí)，規(guī)定應(yīng)力閾值（Sr）根據(jù)最大額定值獲得。通過(guò)所建立的失效物理模型，結(jié)合可靠性指標(biāo)要求，計(jì)算主要失效機(jī)理（薄弱環(huán)節(jié)）的各類應(yīng)力閾值（溫度、機(jī)械、濕度、振動(dòng)加速度等），同時(shí)采取測(cè)試、仿真等手段，提取薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)值，驗(yàn)證是否超出應(yīng)力閾值，若超出閾值，則實(shí)施設(shè)計(jì)改進(jìn)降低薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力水平，不斷迭代分析驗(yàn)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(jī)理的退化或過(guò)應(yīng)力損傷得到控制。

三、基于PoF的可靠性設(shè)計(jì)解決方案及核心技術(shù)鏈

基于失效物理的可靠性設(shè)計(jì)核心技術(shù)鏈，包括潛在失效機(jī)理分析（薄弱環(huán)節(jié)分析）、可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)分解、潛在失效機(jī)理評(píng)估、優(yōu)化設(shè)計(jì)分析等技術(shù)。這些核心技術(shù)在微組裝產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)核心技術(shù)鏈

基于失效物理的可靠性設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是按導(dǎo)致失效的應(yīng)力類型，分別進(jìn)行潛在問(wèn)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(jī)械應(yīng)力（振動(dòng)/機(jī)械沖擊）、潮濕應(yīng)力（相對(duì)濕度）、電磁應(yīng)力（電場(chǎng)/磁場(chǎng)）、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(jī)理（薄弱環(huán)節(jié)），由此對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)分解，即分解針對(duì)為各應(yīng)力下主要失效機(jī)理定量控制的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)而獲得操作層面可實(shí)現(xiàn)的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)為潛在失效評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

潛在失效機(jī)理分析（包括熱失效機(jī)理、機(jī)械失效機(jī)理、潮濕失效機(jī)理等各類應(yīng)力下的失效機(jī)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(jī)理和失效部位。對(duì)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(jìn)行潛在失效機(jī)理分析，是設(shè)計(jì)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(jī)理信息庫(kù)的一種有效方法。針對(duì)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(shù)，對(duì)故障樹(shù)中的故障對(duì)象、失效模式、失效部位、失效機(jī)理、機(jī)理因子、影響因素等6層次失效物理過(guò)程事件進(jìn)行分析，確定可能導(dǎo)致失效的潛在失效機(jī)理，提取誘發(fā)失效機(jī)理的機(jī)理因子（應(yīng)力因子），通過(guò)機(jī)理因子分析和失效物理模型計(jì)算，進(jìn)一步確定導(dǎo)致失效的應(yīng)力閾值，以應(yīng)力閾值為基準(zhǔn)，針對(duì)與機(jī)理因子相關(guān)的外部影響因素進(jìn)行控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)分解，包括可靠性熱設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、耐潮濕設(shè)計(jì)等各類應(yīng)力下可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)的分解，是指將產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分解為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)，分解的目的是在設(shè)計(jì)層面給出具有針對(duì)性和可操作性的可靠性定量設(shè)計(jì)指標(biāo)，形成產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)體系。指標(biāo)分解包括兩類：一是針對(duì)產(chǎn)品長(zhǎng)期工作可靠性要求，分解出在溫度、機(jī)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(jī)理和各機(jī)理允許最短失效時(shí)間及最高允許失效率指標(biāo)，必要時(shí)考慮這些應(yīng)力耦合下的失效機(jī)理控制指標(biāo)；二是針對(duì)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(biāo)，避免過(guò)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(jì)指標(biāo)體系。

潛在失效評(píng)估，包括潛在的熱失效機(jī)理、機(jī)械失效機(jī)理、潮濕失效機(jī)理等各類應(yīng)力下主要失效機(jī)理的失效時(shí)間、失效率及微區(qū)應(yīng)力水平的評(píng)估，評(píng)估的目的是判斷潛在失效機(jī)理是否存在導(dǎo)致產(chǎn)品失效的風(fēng)險(xiǎn)。采用特性仿真、失效物理模型計(jì)算、物理特性測(cè)試等技術(shù)，對(duì)潛在失效機(jī)理進(jìn)行量化評(píng)估，獲取薄弱環(huán)節(jié)失效機(jī)理的失效時(shí)間、失效率及微區(qū)應(yīng)力響應(yīng)值，對(duì)比評(píng)估結(jié)果與可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，判斷失效風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，包括微組裝結(jié)構(gòu)/材料優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)分析的目的是依據(jù)潛在失效評(píng)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(shí)現(xiàn)性，借鑒以往設(shè)計(jì)案例，權(quán)衡確定優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)的重要基礎(chǔ)。

1溫度應(yīng)力失效物理模型

（1）高溫過(guò)應(yīng)力失效模型：TJ≥TJM，表示當(dāng)微組裝產(chǎn)品短期工作時(shí)，內(nèi)裝元器件工作溫度TJ超過(guò)最高允許溫度上限TJM（短期工作溫度閾值），即認(rèn)為發(fā)生高溫過(guò)應(yīng)力失效。可用于評(píng)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(guò)應(yīng)力失效的風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)關(guān)注半導(dǎo)體芯片的高溫過(guò)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(zhǎng)期工作時(shí)，內(nèi)裝元器件工作溫度TJ在規(guī)定的降額溫度TJD（長(zhǎng)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?？捎糜谟?jì)算確定在規(guī)定壽命或失效率指標(biāo)要求下，內(nèi)裝元器件可承受的降額溫度閾值，評(píng)估微組裝產(chǎn)品長(zhǎng)期工作下是否存在過(guò)早退化失效的風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)關(guān)注半導(dǎo)體芯片、有機(jī)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(guò)應(yīng)力失效模型：P＜F，表示當(dāng)微組裝產(chǎn)品在快速溫變環(huán)境（ΔT≥30℃/min）下短期工作時(shí)，微互連或組裝結(jié)構(gòu)耐受溫變強(qiáng)度P小于規(guī)定的溫變應(yīng)力要求F時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生溫度沖擊過(guò)應(yīng)力失效?？捎糜谠u(píng)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(guò)應(yīng)力失效的風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)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(guò)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(zhǎng)期工作時(shí)，互連焊點(diǎn)等在熱機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用下，因塑變累積損傷導(dǎo)致開(kāi)裂失效的低周疲勞壽命與溫循應(yīng)力之間的量化關(guān)系。可用于計(jì)算確定在規(guī)定壽命或失效率指標(biāo)要求下，互連焊點(diǎn)可承受的溫循應(yīng)力閾值，評(píng)估微組裝產(chǎn)品在溫度循環(huán)條件下長(zhǎng)期工作，是否存在熱疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)關(guān)注大尺寸倒裝芯片凸點(diǎn)、大尺寸功率芯片焊料層、塑封器件鍵合絲、板級(jí)器件BGA等表貼焊點(diǎn)的溫循熱疲勞。

2機(jī)械應(yīng)力失效物理模型

（1）振動(dòng)疲勞損傷模型（Basquin定律）：Nf=Ccf（Δσ）^-m，描述微組裝產(chǎn)品在振動(dòng)應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作時(shí)，互連焊點(diǎn)、金屬氣密封裝結(jié)構(gòu)等在機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用下，因疲勞累積損傷導(dǎo)致開(kāi)裂失效的高周疲勞壽命與振動(dòng)應(yīng)力之間的量化關(guān)系。可用于計(jì)算在規(guī)定壽命或失效率指標(biāo)要求下的互連焊點(diǎn)、金屬氣密封裝結(jié)構(gòu)可承受的振動(dòng)應(yīng)力閾值，評(píng)估微組裝產(chǎn)品在振動(dòng)條件下長(zhǎng)期工作，是否存在振動(dòng)疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)關(guān)注板級(jí)大尺寸器件BGA焊點(diǎn)、大尺寸金屬氣密封裝蓋板焊縫的振動(dòng)疲勞。

（2）諧振損傷模型：fn=f，當(dāng)微組裝產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境下工作時(shí)，若微組裝結(jié)構(gòu)固有頻率fn等于振動(dòng)激勵(lì)頻率f，即認(rèn)為發(fā)生諧振損傷失效。可用于評(píng)估微組裝產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境下工作，存在諧振損傷的風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)關(guān)注大尺寸板級(jí)表貼器件焊點(diǎn)、大尺寸金屬氣密封裝蓋板焊縫、真空器件電子槍精細(xì)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(dāng)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(zhǎng)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?？捎糜谟?jì)算確定在規(guī)定壽命或失效率指標(biāo)要求下，器件可承受的溫度及濕度應(yīng)力閾值，評(píng)估微組裝產(chǎn)品在潮濕環(huán)境下工作發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)關(guān)注金屬封裝外殼、塑封器件芯片等腐蝕問(wèn)題，以及金屬氣密封裝水汽滲漏問(wèn)題。

（2）導(dǎo)電陽(yáng)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(zhǎng)期作用下，因?qū)娱g金屬離子遷移導(dǎo)致失效的時(shí)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(jì)算確定在規(guī)定壽命或失效率指標(biāo)要求下，多層板可承受的水汽含量閾值，評(píng)估多層板在潮濕環(huán)境下工作發(fā)生CAF的風(fēng)險(xiǎn)。