本期封面报道单位   蔚思博检测(合肥)车电功能安全服务事业处+台湾虎尾科技大学动力机械工程系

 封面文章  车用塑封集成电路之封装失效率估计

中文引用格式：吴世芳，潘进豊 ，谢杰任. 车用塑封集成电路之封装失效率估计[J]. 电子与封装, 2021,21(9):090101.

导读：来自蔚思博检测(合肥)车电功能安全服务团队与台湾虎尾科技大学动力机械工程系教授共同对芯片封装失效率估计基于IEC 62380建立一套封装失效率估算流程和合理化方法。

1.  研究背景

本研究是以IEC 62380的数学估算模型为基础，探讨车用塑封芯片封装失效率(λ_package)，提供3个研究与实务的新论点: 1)车用供应链彼此间任务轮廓信息交换的方式和内容；2)发展封装失效率估算方法和流程；3)延伸发展估算合理化方法和流程。

现有国际标准中少有独立预估λ_package的数学模型，IEC 62380是少数之一，但是其数学模型的复杂性，往往叫人却步，而且推估出来的λ_package数量等级甚至超过芯片失效率(λ_die)甚多。基于以上两点原因，本研究旨在建立封装失效率估算流程，深入浅出地引导逐步顺利完成λ_package估计。在过程中，将用于估计λ_package的数学参数对应其封装失效物理机制，使数学模型在实际案例中得到验证；再者将估算流程延伸到合理化流程，使λ_package估计更贴近真实值。

2. 车用供应链彼此间任务轮廓信息交换的方式和内容

任务轮廓为在完整的生命周期中，电子部件或组件在其所有预期应用环境中，由工作条件表述其工作周期或热负荷，功能负荷和其他应力等相关条件。

任务轮廓足以左右电子组件的健壮性和可靠性，安全可靠的开发项目要求必须透过车辆制造OEM牢固地传递给Tier 1/Tier 2直至IC供货商，并参与供应链内的提案审查，在整个车用电子供应链中交换任务轮廓信息，形成一个回路循环，如图 1，如此运作可以避免许多迭代甚至是错误。

图 1 供应链上的任务轮廓信息交换

3. 发展封装失效率估算方法和流程

在芯片正常工作期间的功耗散发的热量或环境温度变化导致的热波动或热循环，由于封装各材料间的热膨胀系数(CTE)的不同而产生热机械应力加于芯片封装，最终造成芯片功能失效或降级，这是λ_package数学建模的理论基础。

IEC 62380的λ_package数学模式如下:

λ_package =2.75×10^-3×π_a ×[Σ(π_n)_i × (ΔT_i)^0.68]× λ₃    (FIT)    --- (1)

π_a：电路板和封装材料之间的热膨胀系数差相关的影响因子，

π_a = 0.06 × [ abs(α_s-α_c )]^1.68                --- (2)

其中α_s 为电路板的CTE； α_c为芯片封装体的CTE 。

ΔT_i : 任务曲线第i个任务的平均振幅变化；

ΔT_i =[ΔT_j/3 + (t_ac)_i]- (t_ae)_i                     --- (3)

(t_ae)_i 为在任务轮廓的第i阶段,设备周围环境温度的平均值；(t_ac)_i 为在邻近组件的PCB平均环境温度；Δ T_j为在τ_on 阶段，因消耗功率致组件内部温度的增加量。

(π_n)_i : 第i个影响因素与热变化的年循环次数有关，其温度振幅为ΔT_i；

(π_n)_i = ( n_i )^0.76 ，热循环年次数n_i ≤8760 次循环/年                     --- (4)

(π_n)_i = 1.7 ( n_i )^0.6 ，热循环年次数n_i > 8760 次循环/年                   --- (5)

π_a、ΔT_i和(π_n)_i等3个失效因子相加成的效应被认为是造成封装失效模式的根本原因，如图2。相对应于加速寿命实验方法，可用JEDEC的功率循环(Power Cycling，PC)和热循环 (Thermal Cycling, TC)以判断电子封装组件的允收与否。

图2  封装常见之失效模式

本研究根据数学模型式(1)~ (5)，发展一个有顺序、有逻辑的λ_package估计流程，如图3，此流程可协助循序渐进、按步就班地完成封装失效率估算。

图3  λ_package估计流程

4. 延伸发展估算合理化方法和流程

在第3节估计λ_package数学模型包括封装引脚和电路板之间(焊点)的连接有关失效率，焊点故障通常在电路板设计与电路板组装工艺克服，芯片封装能做的改善有限，况且其他标准的芯片失效率估计都不包含焊点失效率，从实际面和一致性观点，建议λ_package扣除焊点失效率，根据研究估计焊点失效率约占整个λ_package的20%，芯片封装体失效率(λ_{package w/o solder})约占λ_package的80%，如式(6)。

先将λ_{package w/o solder}平均再分布给每支引脚的失效率(λ_pin)，如式(7)，而芯片封装中有若干引脚属于非接触(No Contact, NC)引脚，该引脚失效并不会造成芯片功能异常，故而只加总实际引线键合的引脚数量的失效率，即是有效封装体失效率(λ_{package_true})，如式(8)，以达成芯片封装失效率的合理化估计，详细合理化流程如图4。

λ_{package w/o solder  =} 80% λ_package                                                            --- (6)

λ_{pin  =} λ_{package w/o solder} / S                                                                     --- (7)

λ_{package_true  =} λ_pin (S – S_NC)                                                                --- (8)

S表示引脚数量，S_NC表示非接触引脚数量。

图 4  封装失效率估计合理化流程

5. 未来的方向与挑战

未来封装型态趋于复杂化与多样化，先进封装技术发展至2.5D及3D，譬如天线封装 (AiP)、集成扇出型封装(InFo)、芯片在晶圆在基板封装(CoWoS)、扇出型晶圆级封装(FOWLP)等，依照现有标准已难以妥善而准确预估各类型封装的失效率，因此重新梳理修整IEC 62380数学估算模型是必然的，本团队未来将依据封装失效物理机制提出可参考增修的方向，同时也将提出芯片失效率(λ_die)的估计流程，并开发适用的套装软件，协助车用塑封集成电路整体失效率估算。

更多详细内容可查看原文：吴世芳，潘进豊 ，谢杰任. 车用塑封集成电路之封装失效率估计[J]. 电子与封装, 2021,21(9):090101.

撰稿| 吴世芳

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