對於這些應用場景來說，5G基礎設施以及雲端運算、邊緣運算，AI等關鍵技術，搭配為不同應用場景設計的終端設備，可實現極其豐富的功能和體驗。但各式各樣的5G設備，都面臨著類似的技術挑戰，比如5G智慧手機、網路設備所使用的系統單晶片(SoC)、射頻積體電路(RFIC)等，一方面必須符合溫度和功耗限制，另一方面仍須具備強大的資料處理能力。
因此，5G晶片的可靠性，是工程師在設計相關晶片產品時，必須重點考慮的面向，且必須從晶片、封裝、系統等不同層次考慮其熱可靠性以及結構可靠性。本文將重點討論電子產品結構可靠性設計方面的典型問題，及如何用模擬工具來解決這些問題的方法。
電子產品對結構可靠性的要求
據美國空軍航空電子整體研究專案(US Air Force Avionics Integrity Program)發現，電子產品失效主要是由溫度、振動、潮濕和粉塵引起(圖1)。
5G電子產品的性能和指標要求將更加苛刻，以最典型的終端產品–手機來說，其5G功能工作在更高的頻段，物理尺寸更加緊湊，電磁損耗更集中，其性能卻更容易受到溫度的影響，以及受到長時間外部使用環境的影響。因此，5G設備對結構可靠性要求將更為嚴格。
要對電子產品的結構可靠性進行分析，可從部件、系統兩個面向來著手；當然，電子產品可靠性也是一個複雜的多物理場分析過程。比如對5G晶片來說，先進封裝技術是保障5G晶片發揮極限性能，且滿足低功耗要求的關鍵技術；高可靠度的封裝，則是5G晶片能長時間安全運行的保證。
時下先進的2.5D IC/3D IC封裝技術，包括通過矽通孔(TSV)實現晶片堆疊、系統封裝(SiP)，層疊封裝(PoP)，高級晶圓級封裝(WLP)，將成為5G晶片封裝設計的主流選擇。堆疊晶片所使用的TSV不僅縮短互連路徑，提高I/O速度，還可有效降低功耗，因為堆疊了多個裸晶(Die)，因此減小了電容並減小了尺寸。儘管2.5D或3D IC是非常有前途的封裝技術，但由於其複雜性，仍充滿了挑戰。
系統層面，組裝在一起的5G終端產品，還需考慮整機設備的變形、振動、跌落碰撞、散熱等問題。而這些問題，都是典型的結構可靠性和熱可靠性方面的問題。
PCB/封裝的結構可靠性
如前所述，先進封裝是5G晶片設備的關鍵技術，而日益增長的性能要求和嚴苛的使用環境，對先進封裝的結構可靠性也提出了很大的挑戰。典型的問題有如下幾個方面，後面的分析也將在這幾個方面展開。
・PCB/封裝在迴圈溫度作用下的翹曲分層
・PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹(爆米花效應)
・封裝器件在振動衝擊作用下失效等
・封裝焊球在溫度迴圈下產生疲勞裂紋和失效
PCB/封裝在Flip Chip製程+迴圈溫度作用下的翹曲變形
在半導體產業，Flip Chip製程廣泛用於PCB/封裝等元件連接，在此製程下，封裝就會有殘餘變形和應力的產生，也有塑性應變的存在。當PCB/封裝連接後，還會對其進行相應的溫度迴圈測試。使用Ansys Mechanical工具對整個流程進行模擬，可以瞭解Flip Chip製程產生的塑性狀態對後續溫循模擬的影響(圖2)。
對於PCB/封裝模擬而言，想要得到準確模擬結果，PCB和封裝的材料屬性是關鍵。但對於PCB和封裝的結構過於複雜，且特徵尺寸小，如果按傳統分網格的方法，網格量會巨大，操作起來也不現實；如果考慮計算效率，對每層PCB板賦予相同材料屬性，那計算精度就會大打折扣。
那有沒有一種既考慮精度又能兼顧效率的方法？答案是肯定的。Ansys專利技術“Trace Mapping”正好可以解決PCB模擬的材料模型計算的難題。
通過SCDM導入EDA軟體裡建立的PCB板模型，考慮每一層每個位置的含銅率，計算每一層PCB每個位置的熱物參數(各向異性)，比如密度、導熱係數、熱膨脹率、泊松比等。然後通過trace import將計算的詳細熱物參數導入到Mechanical中，Map到多層矩形板上，Map後的矩形板雖然不具有原來PCB板的幾何結構和特徵，但是具有原來PCB板的詳細熱物參數(圖3)。
因為進行熱力計算時，影響熱力模擬準確性的主要是PCB板自身的熱物參數準確性，所以即使矩形板沒有詳細幾何特徵，也可以進行準確的熱力計算。
使用Trace Mapping方法準確計算PCB各處的材料屬性，再結合生死單元、子模型方法，就可以對Flip Chip+溫循製程進行多尺度精確分析，得到PCB/封裝結構的受力和變形(圖4、圖5)。
PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹
塑封是廣泛應用的電子封裝技術之一。其封裝的基板和塑封料主要成分是樹脂，具有親水性和多孔性。當水分進入封裝中，會使得塑封的電子元器件發生由於吸濕引起的介面層破裂和電子元器件的整體失效破壞，甚至發生爆米花式的斷裂。所以，如美國空軍航空電子完整性專案發現的，濕度也是引起電子產品失效的重要因素。
對吸濕分析而言，最主要是依據濕度的擴散機理，獲取封裝中濕度分佈，最後分析濕度應力。在Ansys中採用菲克第二定律(Fick's second law)來預測隨著時間變化，擴散對濃度分布的影響：
同時為了求解濕度應力，需要熱-結構-擴散直接耦合單元22X系列求解計算(該方法已開發成ACT，整合在workbench中)。
通過以上濕度擴散和耦合單元，可以獲得封裝結構濕度分佈和濕應力狀態，用於找出封裝結構薄弱區域(圖6、圖7)。參考GB2423.3-93等行業標準，可以對封裝在濕度環境下進行試驗，採用Ansys解決方案可以再現該濕度測試試驗。
PCB/封裝元件在振動衝擊作用下失效
在某些情況下，振動衝擊所引起的部件失效也會成為封裝結構主要的失效原因，同時封裝結構在受到衝擊的同時，也會受到熱應力的影響。如何同時評估熱應力和振動的影響，得到封裝結構的損傷，最終得到封裝使用壽命是一個需要重點考慮的方向。
對於振動分析，材料屬性也非常關鍵。類似於溫度迴圈分析，同樣可以採用Ansys Trace Mapping來等效計算封裝的材料屬性，對於封裝結構在有熱應力作用下分析，可以在Ansys Workbench採用以下流程進行計算：
對於PCB/封裝的熱分析，可以採用Ansys Mechanical中的熱模組計算，得到PCB/封裝結構的溫度分布。溫度分布結果可以無縫傳遞到結構分析模組，計算得到溫度所引起的熱應力分布。預應力結果同樣可以無縫傳遞到模態分析中，改變結構的剛度，從而改變PCB/封裝的整體振動特性(圖8)。
通過以上流程，我們可以儘量考慮溫度對振動特性的影響。如果要分析隨機振動疲勞，在該流程中也能實現(圖9)。
在隨機振動後處理中，插入疲勞模組，就可以進行隨機振動計算。預設使用電子行業主流的Steinberg隨機振動疲勞模型。這樣就可以在統一平台上，完成帶預應力(熱應力)的隨機振動分析及振動疲勞分析(圖10)。
封裝焊球在溫度迴圈下產生疲勞裂紋和失效
電子封裝中廣泛採用SMT及新型的晶片尺寸封裝(CSP)、閘球陣列(BGA)等封裝技術，均要求通過焊點直接實現電氣及剛性結構連接。焊球和非金屬材料的熱膨脹係數差異巨大，工作在高溫下會引起熱應力，造成焊球的熱應變。同時電子元件頻繁開關，讓焊點在高低溫下經受往復應力作用。因此焊球容易在高低溫迴圈下產生裂紋及擴展。因此焊球的可靠性將在很大程度上決定系統的可靠性。
Ansys採用電子封裝行業主流的Anand粘塑性模型表徵焊球材料特性，Darveaux模型來進行焊球壽命預測，並且在Ansys APP Store裡有對應ACT外掛程式，操作簡單。此外，對應PCB板仍可使用Trace Mapping來等效計算PCB的材料屬性，提高模擬精度和效率。如圖10，使用該焊球疲勞預測外掛程式，可以快速計算出焊球在完全斷裂前的溫循次數(焊球壽命)。
經過溫循計算後，可以看到封裝結構的變形(放大60倍效果，圖11)。
經過Ansys Solder Fatigue外掛程式計算後，可以快速計算出錫球在溫循下的壽命(圖12、圖13)。
終端設備的結構可靠性
對於5G終端系統而言，單個模組可靠性合格並不代表終端系統結構可靠性合格。組裝在一起的5G終端產品，更多的會考慮整機設備的變形、振動、跌落碰撞、散熱等問題。對於終端設備，例如手機，會依照相應的產業標準進行試驗測試。
接下來，就介紹下相關試驗測試在Ansys模擬環境中的實現。
彎曲試驗
5G手機在往越來越薄的趨勢發展，這時候彎曲剛度也會隨之減小。依據IEC 61189-2:TM20，ASTM D790等行業標準，對智慧手機進行相應的三點彎曲試驗，來評估手機抗彎曲性能(圖14、圖15)。依據標準，在Ansys Mechanical中可以建立以下的分析模型：
使用Ansys模擬環境可以再現三點彎曲的過程，分析得到彎曲後手機的變形，預測手機器件的彎曲剛度，確定關鍵元件在高應力水準下是否破壞及疲勞壽命。
扭轉試驗
智慧手機在使用中也會碰到類似扭曲的情況，而越來越薄的手機的扭轉剛度也相應降低了。依據IPC TM-650等行業標準可以對智慧手機進行扭轉測試，來評估手機抗扭曲性能(圖16)。
依據標準，在Ansys Mechanical中可以建立以下的分析模型：
手機一端固定，另外一端施加5o的旋轉載荷。使用Ansys模擬環境可以再現扭轉的過程，分析得到扭曲後手機的變形，預測手機元件的扭轉剛度，確定關鍵部件在高應力水準下是否破壞及疲勞壽命。
跌落測試
手機跌落碰撞應該是手機使用過程中最常出現的情況，會造成螢幕破損，關鍵部件破壞等。依據GB/T2423.8-1995，MIL-STD-810G測試標準，手機製造商可以進行相應的試驗測試，但這是非常耗費時間和資金的。利用Ansys LS-DYNA建立虛擬的手機跌落測試平台(圖17)，例如進行四角跌落，棱邊跌落，平面跌落以及多次跌落等，可以在設計早期對手機結構進行最佳化，增強手機的抗跌落碰撞性能。
而在Ansys環境下，還有相應的跌落測試範本，說明客戶快速建立手機跌落有限元模型。依靠顯式動力學鼻祖LS-DYNA求解器和Ansys workbench優化平台，可以對手機跌落進行準確模擬，探索手機薄弱部位；同時借助Ansys參數優化工具DX對手機結構進行優化，增強手機的抗跌落碰撞性能。
電子產品的可靠性關係到安全性、適用性和耐久性，引起電子產品可靠性失效的因素也有很多，如何預測並優化電子產品可靠性一直就是業界的一大難題。Ansys在統一平臺下從晶片、PCB/封裝等部件級到5G終端設備的系統級別都可以提供相應的可靠性方案，精度高效率快，可以再現電子產品失效的整個歷程，得到失效結果，協助工程師們改進優化電子產品的結構可靠性。
(本文作者任職於Ansys)
