力学响应与产品的耐受强度符合航天应用的可靠性裕度要求，不存在力学薄弱点；热 的仿真分析结果显示该SiP器件在不同温度工作环境、不同工作模式下内部元器件的热分 布与元器件耐受的温度应力极限符合航天应用的可靠性裕度要求；力热耦合仿真分析结果 显示温度冲击与循环试验过程中该SiP器件的内部元器件及装联产生的热应力符合航天 应用的可靠性裕度要求；电磁仿真分析结果显示该SiP器件的内部元器件之间的电磁兼容 与干扰符合航天应用的可靠性裕度要求。该SiP器件通过了所有的力、热、力热耦合、电磁 仿真分析与评价，进入步骤4。
[0037] 4、环境应力试验：
[0038] 对SiP器件进行力学与热学环境应力试验，在试验中均加电监测SiP器件的功能。 由于在仿真分析显示该SiP器件不存在力学薄弱点，因而不安放力学传感器监测。在热学 环境应力试验中，使用红外热像仪记录SiP器件内部的热分布。试验结果显示该SiP器件 通过了力学与热学环境应力试验，且热分布符合航天应用的可靠性裕度要求。整个结构分 析过程结束，该SiP器件适合航天应用。
[0039] 表1金属陶瓷密封封装SiP器件的结构要素矩阵
[0042] 实施例2某金属陶瓷密封封装SiP器件的结构分析
[0043] 本发明的实现步骤如下：
[0044] 1、结构单元与要素的分解、识别与评价
[0045] 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。
[0046] 2、对结构单元的可靠性评价
[0047] 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
[0048] 3、力、热、力热耦合、电磁的仿真分析与评价
[0049] 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 中的力学响应与产品的耐受强度符合航天应用的可靠性裕度要求，不存在力学薄弱点；热 学仿真分析发现该SiP器件内部的两块功率芯片安放位置不合理，温升严重，在室温和高 温工作环境下由于发热导致的温升超过了芯片所能耐受的温度应力极限，不符合航天应用 的可靠性裕度要求，该SiP器件未通过热学仿真分析与评价，不适合航天应用，结构分析过 程结束。
[0050] 实施例3某塑封器件堆叠类SiP器件的结构分析 [0051 ] 本发明的实现步骤如下：
[0052] 1、结构单元与要素的分解、识别与评价
[0053] 本发明中的SiP器件采用塑封器件堆叠形式，按照SiP器件的结构特点将其分解 成各个结构单元，如图3所示，包括标识、引出端与安装方式、灌封料、PCB底板、绝缘侧墙、 堆叠器件粘接、堆叠器件引线与侧墙连接、堆叠器件。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2所示，表2是本发明实施例中某塑封器件堆叠类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；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PCB板之间的连接形式；灌封料的结 构要素包括灌封料的材料、工艺和质量；PCB底板的结构要素包括PCB板的材料、PCB板的工 艺质量；绝缘侧墙的结构要素包括绝缘侧墙的材料、绝缘侧墙的绝缘间距、侧墙的加工工艺 质量；堆叠器件粘接的结构要素包括粘接材料与工艺；堆叠器件引线与侧墙连接的结构要 素包括连接方式与工艺质量；堆叠器件的结构要素包括塑封半导体芯片的质量等级、安装 工艺适应性及空间适应性。
[0054] 2、对结构单元的可靠性评价
[0055] 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
[0056] 3、力、热、力热耦合、电磁的仿真分析与评价
[0057] 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 中的力学响应与产品的耐受强度符合航天应用的可靠性裕度要求，不存在力学薄弱点；热 的仿真分析结果显示该SiP器件在不同温度工作环境、不同工作模式下内部元器件的热分 布与元器件耐受的温度应力极限符合航天应用的可靠性裕度要求；力热耦合仿真分析结果 显示温度冲击与循环试验过程中该SiP器件的内部元器件及装联产生的热应力符合航天 应用的可靠性裕度要求；电磁仿真分析结果显示该SiP器件的内部元器件之间的电磁兼容 与干扰符合航天应用的可靠性裕度要求。该SiP器件通过了所有的力、热、力热耦合、电磁 仿真分析与评价，进入步骤4。
[0058] 4、环境应力试验：
[0059] 对该SiP器件进行力学与热学环境应力试验，在试验中均加电监测SiP器件的功 能。由于在仿真分析显示该SiP器件不存在力学薄弱点，因而不安放力学传感器监测。在 热学环境应力试验中，使用红外热像仪记录SiP器件内部的热分布。试验结果显示该SiP 器件通过了力学环境应力试验，但在热学环境应力试验的温度冲击与循环中，发生了绝缘 侧墙与塑封器件引线的开裂，进而导致该SiP器件功能失效。该SiP器件未通过热学环境 应力试验，不适合航天应用，结构分析过程结束。
[0060] 表2塑封器件堆叠类SiP器件的结构要素矩阵
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[0063] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
【主权项】
1. 一种系统级封装器件的结构分析方法，其特征在于实现步骤如下： (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； (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； (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； (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。2. 根据权利要求1所述的系统级封装器件的结构分析方法，其特征在于：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。3. 根据权利要求1所述的系统级封装器件的结构分析方法，其特征在于：所述步骤（3) 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。4. 根据权利要求1所述的系统级封装器件的结构分析方法，其特征在于：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。5. 根据权利要求1所述的系统级封装器件的结构分析方法，其特征在于：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。
【专利摘要】本发明涉及一种系统级封装器件的结构分析方法，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。本发明提高了分析结果的可靠性，满足了航天应用的可靠性要求。
【IPC分类】G01N33/00, G01R31/00
【公开号】CN105158417
【申请号】CN201510509195
【发明人】王智彬, 朱恒静, 张延伟, 孟猛, 龚欣, 王旭, 段超, 张伟, 丁鸷敏
【申请人】中国空间技术研究院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月18日