一种系统级封装器件的结构分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种元器件结构分析方法，特别是系统级封装元器件的结构分析方 法。
【背景技术】
[0002] 随着电子信息技术的发展和社会的需求，航天器用电子产品逐渐向尺寸小，厚度 薄，重量轻和高性能、多功能的微小型化发展，先进封装组装以及系统集成技术的快速发 展，使得满足微小型化发展趋势的系统级封装器件应运而生。系统级封装器件（SiP)是采 用任何组合，将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择性的无源元件以及光学器件等 其他器件组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统。之前 一个印制电路板组件实现的功能现在只需要一个系统级封装器件即可完成，极大满足了微 小型化的应用需求。
[0003] 从组装结构上看，系统级封装器件也是将多个不同种类元器件集成在一个封装体 内，但它无论在功能上还是在结构上与混合集成电路有着质的区别，主要表现在以下几个 方面：
[0004] (1)功能的系统性。SiP实现的是一个单机乃至一个系统的功能，而混合集成电路 只能完成一个器件的功能；
[0005] (2)元器件的高密度布局带来集成度上质的飞跃。功能系统性的要求使得SiP内 部元器件的种类和数量比混合集成电路呈现数量级的增长，而封装体尺寸并没有明显变 化，因而内部元器件的布局密度大大提高。
[0006] (3)先进互联与组装技术的应用。为了实现封装体内高密度、多种类、大数量元器 件的布局，SiP内应用了低温共烧陶瓷（LTCC)基板、芯片堆叠、多层高密度键合等先进的互 联组装技术，这是在混合集成电路等其他元器件内不具备的。
[0007] 在航天器等对元器件提出高可靠严格要求的应用环境中，元器件的固有可靠性是 决定整个工程成败的一个关键因素。元器件的固有可靠性取决于元器件的结构设计、材料 选用、生产工艺，为了避免给宇航项目等重大工程造成进度和经济上的重大损失，必须对选 用元器件的设计、结构、工艺、材料等影响元器件可靠性的因素进行分析评价，通过分析潜 在的失效模式与机理挖掘可靠性隐患，目的是对元器件满足评价要求和相关项目运行要求 的能力作出判断，避免可靠性不高的不适当的元器件用于宇航。
[0008] 国际宇航界在20世纪90年代初提出结构分析的概念，并且早期较多的针对半导 体器件开展了一些结构分析工作，但分析工作只针对具体器件，未形成通用方法。国外对于 器件的结构分析工作主要是以试验项目为主线，根据预设的试验流程和试验项目所能获取 的结构、设计、工艺和材料信息进行结构分析。
[0009] 国内虽较国外起步晚，但部分宇航元器件质保单位也已开展了结构分析的方法研 究并进行了相关工作，结构分析工作正作为一个越来越重要的项目逐渐渗透到航天元器件 的质量保证过程中。上海航天技术研究院发表在《质量与可靠性》上的研究成果"结构分析 在航天可靠性技术的应用与实践"中总结了结构分析的常用方法，中国空间技术研究院的 研究成果"数字信号处理器件的结构分析方法"（专利号：ZL 2011 1 0409851.8)提供了一 种数字信号处理器件的结构分析方法，包括将数字信号处理器件分解成各个结构单元，从 设计、工艺和材料方面识别每个结构单元的各项结构要素，对于各个结构单元的结构要素 进行评价。
[0010] 由于SiP与普通器件（包括混合集成电路）存在明显差异，分析上述专利与文章 中指出的结构分析方法，发现主要存在以下几点不足：
[0011] (1)该专利中提出的方法仅针对数字信号处理器为代表的单个器件，采用拆分结 构单元的方法分别评价，而SiP是大量多种类元器件的组合，元器件不同的布局方式会产 生不同的相互影响（力、热、电磁等），进而决定整个SiP的可靠性，因而不仅应对SiP内的 所有元器件按照专利提出的方法流程进行分析评价，而且应对元器件布局对力热电磁可靠 性的影响进行分析评价，专利中的流程方法缺少相应的分析评价方法，而文献中也仅提出 可使用红外热像观察热分布，未对元器件布局对力热电磁可靠性的影响提出覆盖性全的通 用技术方法；
[0012] (2)该专利及文献中提出的结构分析流程方法中缺少环境应力试验，无法对SiP 器件在实际环境使用中的耐环境应力（力热可靠性）进行真实评价，而这也是器件结构可 靠性的重要内容，对于SiP内部多种类元器件高密度布局的结构环境应力试验的评价更加 重要；
[0013] 综上，上述专利存在的问题是：对SiP器件进行分析时覆盖性和深度的不足，没有 进行更全面的试验与分析评价，分析结果可靠性不高。
【发明内容】
[0014] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对系统级封装器件 的结构分析方法，该方法综合考虑SiP器件的特征，提高了 SiP器件的可靠性，以满足航天 应用的要求。
[0015] 本发明的技术解决方案是：一种系统级封装器件的结构分析方法，实现步骤如 下：
[0016] (1)对系统级封装器件即SiP器件进行结构单元分解，得到分解后的结构单元，并 识别其中的结构要素；
[0017] (2)对步骤（1)得到的SiP器件中每个结构单元进行可靠性评价，是否满足航天应 用要求；如果满足则进入步骤（3)，如果不满足，则该SiP器件不适合航天应用，则结构分析 过程结束；
[0018] (3)对SiP器件进行力、热、力热耦合、电磁的仿真分析与评价，其中力的仿真分析 与评价包括SiP器件在振动、冲击及恒加速度中的力学响应与产品耐受强度是否符合航天 应用的可靠性裕度要求，同时找出SiP器件的力学薄弱点；热的仿真分析与评价包括SiP 器件在不同温度工作环境、不同工作模式下SiP器件的内部元器件的热分布与元器件耐受 的温度应力极限是否符合航天应用的可靠性裕度要求；力热耦合仿真分析与评价包括温度 冲击与循环试验过程中，SiP器件的内部元器件及装联产生的热应力是否符合航天应用的 可靠性裕度要求；电磁仿真分析与评价包括SiP器件的内部元器件之间的电磁兼容与电磁 干扰是否符合航天应用的可靠性裕度要求；如果SiP器件通过了上述所有的力、热、力热耦 合、电磁的仿真分析与评价则进入步骤（4)，否则有力、热、力热耦合、电磁的任何一项未通 过，则该SiP器件不适合航天应用，则结构分析过程结束；
[0019] (4)对SiP器件进行环境应力试验，环境应力试验包括力学环境应力试验和热学 环境应力试验，环境应力试验中加电监测SiP器件的功能；同时在力学环境应力试验中，在 步骤（3)中的找出的力学薄弱点安放力学传感器监测力学响应；在热学环境应力试验中， 记录热学环境应力试验中SiP器件内的热分布；如果SiP器件通过了力学环境应力试验和 热学环境应力试验且力学响应和热分布均符合航天应用的可靠性裕度要求，则整个结构分 析过程结束，该SiP器件适合航天应用；否则有力学环境应力试验和热学环境应力试验任 何一项未通过，则该SiP器件不适合航天应用，结构分析过程结束。
[0020] 所述步骤（3)中的不同温度工作环境是指SiP器件手册给出的高温、低温和常温。
[0021] 所述步骤⑶中的不同工作模式是指SiP器件手册给出实现不同功能输出的内部 元器件工作状态。
[0022] 所述步骤（4)中的力学环境应力试验包括振动、冲击、恒加速度。
[0023] 所述步骤（4)中的热学环境应力试验包括高温、低温、温度冲击与循环试验。
[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在SiP器件结构单元分解的基础上， 对SiP器件进行力、热、力热耦合、电磁的仿真分析与评价后，在评价中考虑了 SiP器件各结 构单元之间的影响，包括力、热、力热耦合和电磁等；然后又进行环境应力试验，对SiP器件 综合全面的分析评价，提高了分析结果的可靠性。而现有技术只是对结构单元单独进行评 价与分析，没有考虑全面的分析，不能满足航天应用的可靠性要求。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明SiP器件结构分析方法流程图；
[0026] 图2是本发明实施例中某金属陶瓷密封封装SiP器件的结构单元分解图；
[0027] 图3是本发明实施例中某塑封器件堆叠类SiP器件的结构单元分解图；
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图通过具体实施例对本发明做进一步说明。
[0029] 实施例1某金属陶瓷密封封装SiP器件的结构分析
[0030] 本发明的实现步骤如下：
[0031 ] 1、结构单元与要素的分解、识别与评价
[0032] 本发明中的SiP器件采用金属陶瓷密封封装，按照SiP器件的结构特点将其分解 成各个结构单元，如图2所示，包括标识、密封工艺、引出端与安装方式、HTTC管壳及内部连 接、厚膜基板、薄膜基板、LTCC基板、粘接、焊接、键合、内部元器件。从设计、工艺与材料方 面识别每个结构单元的各项结构要素（如表1所示，表1是本发明实施例中某金属陶瓷密 封封装SiP器件的结构要素矩阵），其中标识的结构要素包括标识的方式方法以及使用适 用性，信息正确性、完整性及标识牢固度、标识位置，标识材料和工艺质量；密封工艺的结构 要素包括密封工艺与材料，密封质量；引出端与安装方式的结构要素包括安装方式、引出端 材料、引出端尺寸与结构、引出端与管壳之间的封接形式；HTTC管壳及内部连接的结构要 素包括管壳的材料及其适用性、管壳的尺寸及加工质量、管壳内部金属化布线及引出壳地 设置；厚膜基板的结构要素包括厚膜基板材料及适用性、厚膜基板的工艺质量；薄膜基板 的结构要素包括薄膜基板的材料及适用性、薄膜基板的工艺质量；LTCC基板的结构要素包 括LTCC基板的材料选择与结构设计、LTCC基板的加工工艺质量；粘接的结构要素包括粘 接材料与工艺；焊接的结构要素包括焊接材料与工艺；键合的结构要素包括键合材料及工 艺、键合尺寸与布局；内部元器件的结构要素包括半导体芯片的质量等级、安装工艺适应性 及空间适应性，无源元件的质量等级与安装工艺适应性。
[0033] 2、对结构单元的可靠性评价
[0034] 对步骤1得到的每个结构单元进行可靠性评价，均满足航天应用要求，进入步骤 3〇
[0035] 3、力、热、力热耦合、电磁的仿真分析与评价
[0036] 对该SiP器件进行物理建模并使用专业的有限元仿真分析软件进行力、热、力热 耦合及电磁仿真分析与评价，力的仿真分析结果显示该SiP器件在振动、冲击及恒加速度 中的