ICS

CCS

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

JH/CIEXXX—XXXX

復(fù)雜組件封裝可靠性仿真評(píng)價(jià)方法

SimulationEvaluationMethodforReliabilityofComplexComponentPackage

（征求意見(jiàn)稿）

（本草案完成時(shí)間：2022年3月24日

在提交反饋意見(jiàn)時(shí)，請(qǐng)將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

中國(guó)電子學(xué)會(huì)發(fā)布

JH/CIEXXX—XXXX

復(fù)雜組件封裝可靠性仿真評(píng)價(jià)方法

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了復(fù)雜組件封裝可靠性仿真評(píng)價(jià)的通用方法，包括芯片凸點(diǎn)、芯片底填膠、鍵合絲、基

板、板級(jí)互連、密封蓋板等關(guān)鍵封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和綜合可靠性評(píng)價(jià)。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于氣密性/非氣密復(fù)雜組件封裝的薄弱環(huán)節(jié)分析和可靠性仿真評(píng)價(jià)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GJB548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序；

GJB2438B混合集成電路通用規(guī)范

JEP122FFailureMechanismsandModelsforSemiconductorDevices

ANSI/VITA51.2-2016PhysicsofFailureReliabilityPredictions

MIT-STD-883E微電子器件試驗(yàn)方法和步驟

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1

復(fù)雜組件封裝ComplexComponentPackage

將多個(gè)不同功能的裸芯片、元器件組裝/集成在同一塊互連基板上，然后進(jìn)行封裝，從而形成高密

度的微電子組件，如MCM、SiP等。

3.2

失效物理模型Failurephysicsmodel

基于產(chǎn)品失效的物理、化學(xué)特征，量化描述產(chǎn)品失效的應(yīng)力、性能、強(qiáng)度或壽命隨載荷以及時(shí)間變

化的一個(gè)確定的過(guò)程或者數(shù)學(xué)關(guān)系。失效物理模型可以是應(yīng)力強(qiáng)度模型、壽命模型、性能衰減模型或者

強(qiáng)度衰減模型。

3.3

可靠性仿真評(píng)價(jià)Reliabilitysimulationevaluation

針對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和主要失效機(jī)理，采用仿真分析和失效物理相結(jié)合的方法，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)展的薄弱環(huán)

節(jié)分析和壽命預(yù)測(cè)工作。

3.4

應(yīng)用驗(yàn)證Verficationforappliedfunction

應(yīng)用驗(yàn)證是針對(duì)復(fù)雜組件封裝在真實(shí)工況下的應(yīng)用開(kāi)展的相關(guān)驗(yàn)證工作。

4可靠性評(píng)估項(xiàng)目及流程

4.1可靠性評(píng)價(jià)工作項(xiàng)目

確定的復(fù)雜組件封裝可靠性評(píng)價(jià)工作項(xiàng)目如表1所示。

1

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表1復(fù)雜組件封裝可靠性評(píng)價(jià)工作表

序號(hào)工作項(xiàng)目方法

1復(fù)雜組件封裝建模建立數(shù)字樣機(jī)幾何模型

復(fù)雜組件封裝熱仿真分析建立有限元模型，開(kāi)展熱仿真分析

2復(fù)雜組件封

復(fù)雜組件封裝振動(dòng)仿真分析建立有限元模型，開(kāi)展振動(dòng)仿真分析

裝可靠性仿

3真評(píng)價(jià)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)基于物理模型和仿真結(jié)果，進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)

基于蒙特卡羅抽樣和競(jìng)爭(zhēng)失效方法，進(jìn)行復(fù)雜組件封裝可靠性綜

4復(fù)雜組件封裝可靠性綜合評(píng)價(jià)

合評(píng)價(jià)

按《集成電路可靠性表征結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法》（報(bào)批稿）進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)

芯片工藝評(píng)價(jià)試驗(yàn)

價(jià)

復(fù)雜組件封芯片凸點(diǎn)壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)按資料附件1《芯片凸點(diǎn)壽命評(píng)價(jià)方案》進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)

6裝關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

芯片粘接壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)按資料附件2《粘接壽命評(píng)價(jià)方案》進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)驗(yàn)證

鍵合壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)按資料附件3《引線鍵合壽命評(píng)價(jià)方案》進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)

板級(jí)互連壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)按資料附件4《板級(jí)互連壽命評(píng)價(jià)方案》進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)

4.2可靠性仿真評(píng)價(jià)基本流程

目前可靠性評(píng)估主要包括兩條思路，一是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性評(píng)估；二是基于失效物理的可靠性

評(píng)估。對(duì)于復(fù)雜組件封裝，由于成本極高，難以通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲取可靠性評(píng)估數(shù)據(jù)，因此，以大量數(shù)據(jù)

為基礎(chǔ)進(jìn)行基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性評(píng)估方案難以實(shí)現(xiàn)。本標(biāo)準(zhǔn)采用基于失效物理的可靠性仿真評(píng)價(jià)方法

進(jìn)行復(fù)雜組件封裝可靠性評(píng)價(jià)。

復(fù)雜組件封裝可靠性仿真評(píng)價(jià)流程

分

析設(shè)計(jì)信數(shù)字樣機(jī)建產(chǎn)品壽命可靠性綜合薄弱環(huán)節(jié)

SiP載荷應(yīng)力分析薄弱環(huán)節(jié)分析

流息采集模周期剖面-評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)改進(jìn)

程

SiP設(shè)計(jì)

輸應(yīng)力分析結(jié)果

元器件選型一鍵式調(diào)用仿

入?yún)?shù)調(diào)用使用環(huán)境失效閾值信息可靠性數(shù)學(xué)方法

組裝工藝

信和建模真

結(jié)構(gòu)布局

息工作載荷

威布爾分布、正態(tài)

SiP數(shù)據(jù)庫(kù)試驗(yàn)剖面數(shù)據(jù)庫(kù)模型數(shù)據(jù)庫(kù)

分布、指數(shù)分布

核熱循環(huán)

GJB899A-2009

心文件解析與尺寸參數(shù)振動(dòng)分析單點(diǎn)單點(diǎn)多點(diǎn)

GJB150熱疲勞模型蒙

模管理封裝參數(shù)單應(yīng)多應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)

IPC-9701機(jī)械沖擊振動(dòng)疲勞模型卡

材料參數(shù)力數(shù)力數(shù)壽命

塊JESD22-A104高溫退化模型抽

焊接參數(shù)據(jù)擬據(jù)融分布

實(shí)際工況電應(yīng)力模型樣

SiP合合融合

輸三維數(shù)字模型

溫度分布薄弱環(huán)節(jié)

仿真分析報(bào)告

出CAD應(yīng)力應(yīng)變潛在失效機(jī)理改進(jìn)措施

設(shè)計(jì)原理圖載荷剖面產(chǎn)品壽命分布

結(jié)FEM振動(dòng)響應(yīng)薄弱環(huán)節(jié)的平及建議

CFD產(chǎn)品平均失效前時(shí)間

果電流應(yīng)力均失效時(shí)間

EDA

支有限元分析

產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件軟件調(diào)用進(jìn)行單點(diǎn)

撐Matlab軟件內(nèi)部

軟件內(nèi)部模塊軟件內(nèi)部模塊軟件內(nèi)部模塊單應(yīng)力失效數(shù)據(jù)進(jìn)行

工CADANSYS模塊

ABAQUS蒙卡抽樣與多點(diǎn)融合

具……

圖1基于失效物理的復(fù)雜組件封裝可靠性仿真評(píng)價(jià)流程

4.2.1數(shù)字樣機(jī)建模

2

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軟件的用戶界面中，用戶需提供復(fù)雜組件封裝器件產(chǎn)品建模的支撐信息，具體內(nèi)容如下：

a)采集復(fù)雜組件封裝結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)等信息，采用CAD、FEM等工具，建立三維幾何結(jié)構(gòu)模型。

b)采集復(fù)雜組件封裝材料參數(shù)信息，調(diào)用幾何結(jié)構(gòu)模型，建立三維有限元仿真結(jié)構(gòu)模型。

c)采集復(fù)雜組件封裝產(chǎn)品的實(shí)際工況應(yīng)力載荷剖面，為后續(xù)模型的可靠性評(píng)價(jià)模型的應(yīng)力施加

提供依據(jù)。

4.2.2載荷-應(yīng)力分析

a)依據(jù)GJB150、GJB899、JESD22-A104等標(biāo)準(zhǔn)或復(fù)雜組件封裝真實(shí)工況下采集的溫度、振動(dòng)環(huán)

境載荷剖面，施加應(yīng)力載荷，開(kāi)展溫度、振動(dòng)等載荷-應(yīng)力仿真分析。

b)提取復(fù)雜組件封裝凸點(diǎn)、鍵合絲、芯片、焊點(diǎn)、粘接層、基板、密封蓋板等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的仿真

分析結(jié)果，包括溫度、應(yīng)力應(yīng)變、功率譜密度等結(jié)果信息。

4.2.3單點(diǎn)單機(jī)理壽命分布擬合

復(fù)雜組件封裝失效通常是由多種機(jī)理造成，對(duì)于每種失效機(jī)理都應(yīng)首先進(jìn)行失效機(jī)理的分布擬合。

a)根據(jù)復(fù)雜組件封裝關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如凸點(diǎn)、鍵合絲、芯片、焊點(diǎn)、粘接層、基板、密封蓋板）所

承受的典型應(yīng)力類型和失效機(jī)理，選擇相應(yīng)的失效物理模型，提取對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的結(jié)果數(shù)據(jù)（如

溫度、應(yīng)力應(yīng)變、功率譜密度等結(jié)果）代入相應(yīng)的物理模型，計(jì)算獲得復(fù)雜組件封裝單一結(jié)

構(gòu)在單一機(jī)理下的壽命預(yù)測(cè)值（通常為平均壽命）。推薦對(duì)于與高溫退化相關(guān)的失效機(jī)理，

可選擇阿倫尼烏斯模型；與溫變疲勞相關(guān)的失效機(jī)理，可選擇Coffin-Manson模型；與電遷

移相關(guān)的失效機(jī)理，可選擇Black方程；與溫濕度相關(guān)的失效機(jī)理，可選擇Peck模型；與振

動(dòng)疲勞相關(guān)的失效機(jī)理，可選擇Palmgren-Miner模型。

b)根據(jù)結(jié)構(gòu)和失效機(jī)理類型，選擇壽命分布類型，然后基于計(jì)算獲得的單一機(jī)理下的平均壽命，

分別構(gòu)建不同封裝結(jié)構(gòu)在單一機(jī)理下的壽命分布曲線。假定復(fù)雜組件封裝結(jié)構(gòu)的每個(gè)失效機(jī)

理相互獨(dú)立，且其失效時(shí)間分布類型通常為指數(shù)分布、威布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布等常見(jiàn)失

效分布類型。推薦對(duì)于凸點(diǎn)、焊點(diǎn)疲勞類失效，選擇2參數(shù)威布爾分布；對(duì)于器件、芯片退

化類失效，選擇指數(shù)分布；對(duì)于材料、結(jié)構(gòu)腐蝕失效，選擇對(duì)數(shù)正態(tài)分布。以溫度循環(huán)和振

動(dòng)為例，分別構(gòu)建復(fù)雜組件封裝的壽命分布函數(shù)fxi()和gxi()。

4.2.4多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)

a)單點(diǎn)多機(jī)理失效融合

采用蒙特卡羅抽樣和競(jìng)爭(zhēng)失效算法，求取復(fù)雜組件封裝關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如焊點(diǎn)、鍵合絲）在多機(jī)理（如

熱和振動(dòng)疲勞）綜合下的壽命分布函數(shù)。

具體算法如下：

fx()gx()

1)分別對(duì)器件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)i在熱和振動(dòng)疲勞下的壽命分布函數(shù)i和i，進(jìn)行一次蒙特

卡羅抽樣，得到2個(gè)隨機(jī)數(shù)(,ttii12)。

(,tt)t

2)將抽出的2個(gè)隨機(jī)數(shù)1112按從小到大順序排列，取其中的最小值記為1min。

(,tt)t

3)再取2個(gè)隨機(jī)數(shù)2122，取其中最小的記為2min。

(tt,,...,t)

4)重復(fù)500次抽樣，得到一組抽樣數(shù)據(jù)1min2min500min，利用這組抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分布

擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，得到該器件的壽命概率密度函數(shù)。

ht()

5)重復(fù)a～d，得到器件其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的壽命概率密度函數(shù)i。

b)多點(diǎn)多機(jī)理可靠性綜合評(píng)價(jià)

3

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根據(jù)復(fù)雜組件封裝各結(jié)構(gòu)的壽命概率密度函數(shù)，進(jìn)一步采用蒙特卡羅抽樣和競(jìng)爭(zhēng)失效方法，可以得

到復(fù)雜組件封裝模塊的可靠性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

其具體算法如下：

ht()

1)設(shè)復(fù)雜組件封裝共有K個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的壽命概率密度函數(shù)分別為i，分別

對(duì)K個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)各進(jìn)行一次抽樣，得到K個(gè)隨機(jī)數(shù)(tt11,12,...,t1K)。

(tt,,...,t)t

2)將抽出的K個(gè)隨機(jī)數(shù)11121K按從小到大順序排列，取其中的最小值記為1min。

(tt,,...,t)t

3)再取K個(gè)隨機(jī)數(shù)21222K，取其中最小的記為2min。

(tt,,...,t)

4)重復(fù)500次抽樣，得到一組抽樣數(shù)據(jù)1min2min50min，利用這組抽樣數(shù)據(jù)分別按照威

布爾分布、指數(shù)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，得到復(fù)雜組件封裝的壽命概率

密度函數(shù)ft()。

4.2.5可靠性試驗(yàn)剖面合成

一個(gè)完整的可靠性試驗(yàn)剖面（以下簡(jiǎn)稱全剖面）通常是若干溫度段和振動(dòng)量值段的組合，需要按照

各應(yīng)力水平在全剖面中所占時(shí)間比例進(jìn)行剖面合成。設(shè)全剖面共有M段，其中溫度段m占全剖面的時(shí)間比

例為Mm，振動(dòng)段n占全剖面的時(shí)間比例為Mn。采用下式進(jìn)行全剖面下的失效時(shí)間合成累積：

111

s=s=s=

i1MM，i2MM,,i1000MM

∑m∑m…∑m

m=1sim1m=1sim2m=1sim1000

111

t=t=t=

i1NM，i2NM,,i100NM

∑n∑n…∑n

n=1tin1n=1tin2n=1tin1000

ssst

式中，i1、i2…、i1000表示器件上第i個(gè)結(jié)構(gòu)在全剖面段下1000個(gè)可能的熱疲勞失效時(shí)刻，i1、

tt

i2…、i1000表示器件上第i個(gè)結(jié)構(gòu)在全剖面段下1000個(gè)可能的振動(dòng)疲勞失效時(shí)刻，Sim1、Sim2……、Sim1000

和tin1、tin2……、tin1000分別表示在m段和n段剖面下1000個(gè)可能的疲勞失效時(shí)間。

4.2.6復(fù)雜組件封裝薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別及失效模式分析

薄弱環(huán)節(jié)可以結(jié)合以下三個(gè)方面進(jìn)行：

a)歷史失效信息分析：歷史失效數(shù)據(jù)及FMEA分析結(jié)果。

b)故障激發(fā)試驗(yàn)：結(jié)合應(yīng)力剖面分析結(jié)果，開(kāi)展故障激發(fā)試驗(yàn)，主要開(kāi)展溫度應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)，

可參考標(biāo)準(zhǔn)GB29309-2012。

c)仿真模型分析：對(duì)仿真實(shí)體模型，施加剖面應(yīng)力，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)響應(yīng)，

主要輸出包括溫度、應(yīng)變、功率譜密度等響應(yīng)。對(duì)于過(guò)應(yīng)力失效，可將輸出響應(yīng)與臨界失效

閾值進(jìn)行比較，當(dāng)結(jié)構(gòu)輸出響應(yīng)大于失效閾值時(shí)，確定該結(jié)構(gòu)為薄弱環(huán)節(jié)，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的臨界

失效閾值可通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)獲取，也可根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)給出。對(duì)于退化型

失效，可根據(jù)5.2.3的方法，基于失效物理模型和獲得的輸出響應(yīng)，計(jì)算各結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)壽命

值，并和要求的壽命值進(jìn)行比較，進(jìn)而確定復(fù)雜組件封裝薄弱環(huán)節(jié)。

5復(fù)雜組件封裝關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可靠性驗(yàn)證

5.1復(fù)雜組件封裝中芯片工藝驗(yàn)證評(píng)價(jià)

4

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針對(duì)復(fù)雜組件封裝模塊中芯片工藝，具體可按照GJB548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，

MIT-STD-883E《微電子器件試驗(yàn)方法和步驟》，對(duì)芯片熱載流子注入、與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿、電遷移、

負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性四大主要失效機(jī)理進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

以上試驗(yàn)中，為了確保試驗(yàn)結(jié)果的普適性，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB2689.1，每個(gè)應(yīng)力水平下的樣品數(shù)量不少于

10只，特殊情況不少于5只。

5.2復(fù)雜組件封裝中芯片凸點(diǎn)可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)

針對(duì)復(fù)雜組件封裝模塊中倒裝凸點(diǎn)電互連特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作倒裝凸點(diǎn)的測(cè)試結(jié)構(gòu)，開(kāi)展復(fù)雜組件封裝

倒裝凸點(diǎn)高溫條件下電遷移壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)，獲得復(fù)雜組件封裝倒裝凸點(diǎn)壽命數(shù)據(jù)，試驗(yàn)方案詳見(jiàn)資料附

件1。

5.3復(fù)雜組件封裝中芯片粘接可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)

針對(duì)復(fù)雜組件封裝模塊中芯片有機(jī)膠粘接特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作有機(jī)膠粘接測(cè)試結(jié)構(gòu)，開(kāi)展復(fù)雜組件封裝

粘接壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)，獲得復(fù)雜組件封裝有機(jī)膠粘接壽命數(shù)據(jù)，試驗(yàn)方案詳見(jiàn)資料附件2。

5.4復(fù)雜組件封裝中引線鍵合可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)

針對(duì)復(fù)雜組件封裝模塊中引線Au-Al鍵合特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作Au-Al鍵合測(cè)試結(jié)構(gòu)，開(kāi)展復(fù)雜組件封裝鍵

合壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)，獲得復(fù)雜組件封裝鍵合壽命數(shù)據(jù)，試驗(yàn)方案詳見(jiàn)資料附件3。

5.5復(fù)雜組件封裝中板級(jí)互連可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)

針對(duì)復(fù)雜組件封裝模塊中板級(jí)互連特點(diǎn)，制作含有電阻測(cè)試功能的菊花連測(cè)試結(jié)構(gòu)，開(kāi)展板級(jí)互連

的溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)，獲得板級(jí)互連的壽命數(shù)據(jù)，試驗(yàn)方案詳見(jiàn)附件4。

5

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附錄A

（資料性）

復(fù)雜組件封裝倒裝凸點(diǎn)可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)方案

A.1倒裝凸點(diǎn)壽命試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作

隨著高端智能芯片的I/O密度提高，銅柱凸點(diǎn)的節(jié)距和尺寸不斷縮小，而工作電流卻逐漸加大，導(dǎo)

致焊點(diǎn)中電流密度大幅度增加，加速了銅柱凸點(diǎn)互連的電遷移失效，縮短了焊點(diǎn)的使用壽命。根據(jù)計(jì)算，

銅柱凸點(diǎn)半徑每縮小1/2，銅柱凸點(diǎn)中承載的平均電流密度就增大4倍。雖然與傳統(tǒng)倒裝焊點(diǎn)相比，銅柱

凸點(diǎn)具有更好的抗電遷移能力，但是在高電流密度應(yīng)力下，銅柱凸點(diǎn)焊料中仍將存在明顯的電遷移效應(yīng)。

電遷移加劇了微焊點(diǎn)中焊料的相變，引起焊料微結(jié)構(gòu)的顯著劣化。

為評(píng)價(jià)復(fù)雜組件封裝中倒裝凸點(diǎn)在熱-電耦合服役條件下的長(zhǎng)期可靠性，設(shè)計(jì)制作用于倒裝凸點(diǎn)壽

命評(píng)價(jià)的測(cè)試結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1及圖2所示。每只樣品包括一塊測(cè)試芯片與一塊載芯片，測(cè)試

芯片采用凸點(diǎn)連接至載轉(zhuǎn)接板上，將載轉(zhuǎn)接板與印刷電路板（PCB）通過(guò)引線互聯(lián)，采用開(kāi)爾文結(jié)構(gòu)測(cè)

量單個(gè)凸點(diǎn)的連續(xù)電阻。為了避免芯片凸點(diǎn)熱交互效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，試驗(yàn)建議采取在芯片邊緣處

的凸點(diǎn)通入電流。

圖A.1樣品橫截面示意圖

測(cè)試芯片

載芯片

PCB板

圖A.2樣品俯視圖

A.2樣品數(shù)量的確定

建議試驗(yàn)考慮三組電流密度影響元素，每組影響元素考慮三組溫度應(yīng)力，每組應(yīng)力下樣品量須保證

測(cè)試芯片不少于50只（根據(jù)每個(gè)樣品包含熱測(cè)試芯片數(shù)量進(jìn)行確定）。

A.3凸點(diǎn)壽命試驗(yàn)應(yīng)力

依據(jù)Black模型的基本理論，我們選擇三組恒定溫度作為加速壽命應(yīng)力，以及三組恒定電流作為加

速壽命應(yīng)力。溫度應(yīng)力的選擇依據(jù)為服役環(huán)境溫度的2倍、3倍、4倍；電流應(yīng)力的選擇依據(jù)預(yù)估計(jì)算凸

424242

點(diǎn)內(nèi)電流密度達(dá)到10A/cm、2×10A/cm、4×10A/cm。

A.4凸點(diǎn)失效判據(jù)選擇

6

JH/CIEXXX—XXXX

試驗(yàn)過(guò)程中采用開(kāi)爾文法對(duì)每個(gè)測(cè)試芯片電阻進(jìn)行測(cè)試，電阻增加20%作為凸點(diǎn)失效判據(jù)，則電阻

增加20%時(shí)的試驗(yàn)時(shí)間即為凸點(diǎn)失效時(shí)間（失效判據(jù)可協(xié)商確定）。

在初始狀態(tài)以及電阻變化率為5%、10%、15%、20%時(shí)進(jìn)行芯片剪切強(qiáng)度測(cè)試，作為機(jī)械互連退化的

參考依據(jù)。

A.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

芯片凸點(diǎn)熱-電耦合退化壽命采用Black模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，在獲得加速應(yīng)力下的失效數(shù)據(jù)后，利用ALTA

軟件計(jì)算模型擬合參數(shù)及加速系數(shù)；在此基礎(chǔ)上，則可推算芯片凸點(diǎn)在正常工作應(yīng)力下的壽命值。

7

JH/CIEXXX—XXXX

B

A

附錄B

（資料性）

復(fù)雜組件封裝中芯片粘接可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)方案

B.1粘接壽命試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作

有機(jī)膠高溫下退化會(huì)導(dǎo)致芯片與有機(jī)膠粘接界面的粘接性能退化，粘接性能退化一方面會(huì)影響芯片

的散熱，另一方面會(huì)減小芯片的粘接強(qiáng)度。為評(píng)價(jià)復(fù)雜組件封裝有機(jī)膠粘接在高溫下的長(zhǎng)期可靠性，設(shè)

計(jì)制作用于粘接壽命評(píng)價(jià)的測(cè)試結(jié)構(gòu)，粘接測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1及圖2所示。每只樣品上至少包含多個(gè)

熱測(cè)試芯片，熱測(cè)試芯片采用有機(jī)膠粘接于陶瓷基板上，熱測(cè)試芯片背面處理方式要與復(fù)雜組件封裝裸

芯片背面處理方式一樣，陶瓷板及有機(jī)膠也要與復(fù)雜組件封裝所用一致，有機(jī)膠粘接工藝與復(fù)雜組件封

裝一致，外引線鍵合點(diǎn)與引出端引腳采用能耐200℃高溫的高溫焊料焊接，以確保在高溫下的可靠性。

總而言之，盡量保證測(cè)試結(jié)構(gòu)粘接工藝能代表復(fù)雜組件封裝粘接工藝。

熱測(cè)試芯片

圖B.1樣品橫截面示意圖

熱測(cè)試芯片

圖B.2樣品俯視圖

B.2樣品數(shù)量的確定

三組應(yīng)力，每組應(yīng)力下樣品量須保證熱測(cè)試芯片不少于50只（根據(jù)每個(gè)樣品包含熱測(cè)試芯片數(shù)量進(jìn)

行確定）。

B.3粘接壽命試驗(yàn)應(yīng)力

依據(jù)Arrhenius模型的基本理論，我們選擇三組恒定溫度作為加速壽命應(yīng)力，三組應(yīng)力分別為：S1

S

=100℃，S2=125℃，l=150℃。

B.4粘接失效判據(jù)選擇

8

JH/CIEXXX—XXXX

試驗(yàn)過(guò)程中采用電學(xué)法對(duì)每個(gè)熱測(cè)試芯片熱阻進(jìn)行測(cè)試，熱阻增加20%作為粘接失效判據(jù)，則熱阻

增加20%時(shí)的試驗(yàn)時(shí)間即為粘接失效時(shí)間（失效判據(jù)可協(xié)商確定）。測(cè)試間隔及失效時(shí)間處理依據(jù)

GB2689.1。

在初始狀態(tài)以及熱阻變化率為5%、10%、15%、20%時(shí)進(jìn)行芯片剪切強(qiáng)度測(cè)試，作為粘接退化的參考

依據(jù)。

B.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

有機(jī)膠粘接高溫退化壽命采用Arrhenius模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，在獲得三組加速應(yīng)力下的失效數(shù)據(jù)后，利

用ALTA軟件計(jì)算激活能及加速系數(shù)；在確定激活能及加速系數(shù)的基礎(chǔ)上，則可推算有機(jī)膠粘接在正常工

作應(yīng)力下的壽命值。

9

JH/CIEXXX—XXXX

C

B

附錄C

（資料性）

復(fù)雜組件封裝鍵合可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)方案

C.1鍵合引線的壽命試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于高溫壽命評(píng)價(jià)的鍵合引線測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖如圖1及圖2所示，為了增加測(cè)量的精度，采用了多條

鍵合引線相串連的形式，保證串聯(lián)電阻R＞0.5Ω（在結(jié)構(gòu)允許情況下，盡量多地增加鍵合單元）。本試

驗(yàn)樣品陶瓷基板上粘接芯片，用金絲鍵合串聯(lián)起來(lái)，外引線鍵合點(diǎn)與引出端引腳采用能耐200℃高溫的

高溫焊料焊接，以確保外引線鍵合點(diǎn)在高溫下的可靠性。采用復(fù)雜組件封裝用典型線徑的金絲，鍵合時(shí)

采用復(fù)雜組件封裝鍵合典型工藝參數(shù)，盡量保證測(cè)試結(jié)構(gòu)鍵合工藝能代表復(fù)雜組件封裝鍵合工藝。

芯片

Au線

圖C.1樣品橫截面示意圖

圖C.2樣品俯視圖

C.2樣品數(shù)量的確定

鑒于不同鍵合引線在高溫過(guò)程失效時(shí)間各不相同，失效數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)分布特性。為獲得鍵合引線高

溫失效的統(tǒng)計(jì)分布，試驗(yàn)過(guò)程中需要一定數(shù)量的相同封裝形式的樣品，每組應(yīng)力樣品數(shù)量不少于15只。

C.3鍵合壽命試驗(yàn)應(yīng)力

依據(jù)Arrhenius模型的基本理論，選擇三組恒定溫度作為加速壽命應(yīng)力，即l=3。復(fù)雜組件封裝要

求最高使用溫度為125℃，從試驗(yàn)效率考慮，選擇125℃作為最低的加速應(yīng)力S1=125℃。同時(shí)，參考相

S

關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合樣品自身的實(shí)際情況，選擇175℃作為最高的加速應(yīng)力，即l=175℃。因此

1111

?=(?)/(l?1)=(?)/(3?1)=0.0011

S1Sl125175

10

JH/CIEXXX—XXXX

111

=??=?0.0011=0.0069

S2S1125

即S2=145℃，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，選擇150℃作為加速應(yīng)力，取S2=150℃。

S

綜上，選擇三組溫度應(yīng)力作為加速應(yīng)力，這三組應(yīng)力分別為：S1=125℃，S2=150℃，l=175℃。

C.4鍵合失效判據(jù)選擇

根據(jù)高溫試驗(yàn)后鍵合引線互連阻值的變化推算出每鍵合引線結(jié)構(gòu)件阻值增大20%的試驗(yàn)時(shí)間，定義

該試驗(yàn)時(shí)間為鍵合失效時(shí)間。定義鍵合引線結(jié)構(gòu)阻值增大20%作為失效判據(jù)是參考JEDEC金屬互連線電遷

移失效判據(jù)，國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)中，均將電遷移試驗(yàn)過(guò)程中，金屬互連線的阻值增大20%定義為金屬互連線

電遷移失效的判據(jù)（失效判據(jù)可協(xié)商確定）。鍵合互連電阻采用四端法進(jìn)行測(cè)試以保證測(cè)試精度，測(cè)試

中推薦采用在線監(jiān)測(cè)的方式對(duì)互連電阻進(jìn)行測(cè)試。手動(dòng)對(duì)互連電阻進(jìn)行測(cè)試則依據(jù)GB2689.1。數(shù)據(jù)記錄

表如表1所示。

針對(duì)每組樣品，在初始狀態(tài)以及電阻變化率為5%、10%、15%、20%時(shí)進(jìn)行鍵合拉力強(qiáng)度測(cè)試，作為

鍵合退化的參考依據(jù)。

表B.1樣品在XX℃試驗(yàn)中不同時(shí)刻的電阻值（Ω）

編號(hào)

時(shí)間

#1-1#1-2#1-3#1-4#1-5#1-6#1-7#1-8#1-9#1-10

0h

5h

29h

53h

77h

101h

113h

161h

209h

305h

377h

449h

。。。

C.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

通過(guò)對(duì)Au/Al鍵合系統(tǒng)失效機(jī)理的研究可知，在溫度應(yīng)力下，Au/Al鍵合系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生金鋁間化合物和

Kirkendall空洞，從而導(dǎo)致接觸電阻增加，鍵合強(qiáng)度下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，退化速率大大加快，因此選

用Arrhenius模型來(lái)評(píng)價(jià)Au/Al鍵合系統(tǒng)的壽命。

在獲得三組加速應(yīng)力下的失效數(shù)據(jù)后，利用ALTA軟件計(jì)算激活能及加速系數(shù)；在確定激活能及加速

系數(shù)的基礎(chǔ)上，則可推算鍵合引線在正常工作應(yīng)力下的壽命值。

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JH/CIEXXX—XXXX

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JH/CIEXXX—XXXX

D

C

附錄D

（資料性）

復(fù)雜組件板級(jí)互連可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)方案

D.1板級(jí)互連的壽命試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于壽命評(píng)價(jià)的板級(jí)互連測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖如圖1及圖2所示，為了增加測(cè)量的精度，采用了多顆板級(jí)

互連相串連的形式，保證串聯(lián)電阻R＞0.5Ω（在結(jié)構(gòu)允許情況下，盡量多地增加互連單元）。本試驗(yàn)樣

品PCB板上組裝基板，用焊點(diǎn)/焊柱合串聯(lián)起來(lái)。采用復(fù)雜組件封裝用典型直徑的焊球/焊柱互連，組裝

時(shí)采用復(fù)雜組件封裝鍵合典型工藝參數(shù)，盡量保證測(cè)試結(jié)構(gòu)組裝工藝能代表復(fù)雜組件封裝鍵合工藝。

圖D.1樣品橫截面示意圖

圖D.2樣品俯視圖

D.2樣品數(shù)量的確定

鑒于不同板級(jí)互連在溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程失效時(shí)間各不相同，失效數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)分布特性。為

獲得板級(jí)互連失效的統(tǒng)計(jì)分布，試驗(yàn)過(guò)程中需要一定數(shù)量的相同封裝形式的樣品，每組應(yīng)力樣品數(shù)量不

少于15只。

D.3板級(jí)互連壽命試驗(yàn)應(yīng)力

D.3.1溫度循環(huán)壽命試驗(yàn)應(yīng)力

b

1?γ

N=τ

f2ε'

根據(jù)Engelmaier修正的Coffin-Manson模型(2f)的理論，選擇三組溫差作為加速壽命應(yīng)

力，按GJB548B-2005方法1010進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，根據(jù)封裝使用環(huán)境選取3組加載條件，每50次循環(huán)后，

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利用陶封樣品內(nèi)菊花鏈制作測(cè)試板，采用開(kāi)爾文結(jié)構(gòu)測(cè)量凸點(diǎn)連續(xù)電阻；將判定失效對(duì)應(yīng)的加載條件對(duì)

仿真模型進(jìn)行加載，提取模型中板級(jí)互連內(nèi)部的最大切應(yīng)力增量幅值?γτ。

D.3.2隨機(jī)振動(dòng)壽命試驗(yàn)應(yīng)力

首先，設(shè)置分析頻率從50~2000Hz進(jìn)行掃頻振動(dòng)，確定共振頻率。然后，根據(jù)Basquin’s模型

σ=σ'(2N)b