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摘 要：基于电路板互连可靠性分析技术，提出了集成电路的寿命仿真分析流程。首先运用ANSYS软件对PCB电路板组件在典型电子装备环境试验条件下的温度应力与随机振动响应进行分析；其次采用CALCE-PWA软件分别建立热与振动故障预计模型，从热仿真、振动仿真结果中导入模型所需应力参数进行集成电路的寿命仿真分析；最后基于竞争失效机制，确定集成电路失效状态与计算结果。结果表明该集成电路为热失效，失效循环数为260 089。其寿命仿真分析方法与计算结果具有一定的参考价值，并为集成电路的可靠性评估提供一定依据。
关键词：集成电路 寿命仿真 分析流程 竞争失效 CALCE-PWA
中图分类号：V263.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0067-04
由于电子设备对温度、振动最为敏感，且根据对电子产品失效原因的统计，温度因素占43.3%，振动因素占28.7%，由这2种应力作用导致的产品的失效为71%[1]。因此，研究集成电路寿命需主要对温度和振动2种应力进行仿真、评估并预计。据此寿命仿真主体结构中涉及的仿真项目主要有热仿真、振动仿真、故障预计仿真。在诸如印刷电路板的典型电子产品的服役期内，热应力、机械应力是产品所承受的主要环境载荷。文献[2-4]从器件级薄弱环节的失效物理建模出发，通过对整板PCB的振动仿真与实验，计算了元器件的寿命。文献[5-7]研究了集成电路的寿命试验条件，并对PCB电路板组件的温度分布进行了仿真与实验研究。此外，国内外学者针对集成电路的失效类别、失效原因开展了大量研究。但是上述研究较多的依赖物理样机试验，且计算集成电路寿命时未能综合考虑集成电路复杂的失效因素。
该文基于协同仿真技术，采用竞争失效机制，选用电子产品中的一个整板PCB作为研究对象，对集成电路寿命进行预测，可在产品设计阶段对集成电路的可靠性进行评估，并减少物理样机试验成本。
1 寿命分析流程
基于竞争失效机制的集成电路寿命预测的仿真分析流程如图1所示。首先基于集成电路封装类型完成模型建立；然后分别从热仿真、振动仿真中导入模型所需应力参数，加载集成电路寿命剖面；最后根据竞争失效机制，获取集成电路寿命。其中，集成电路管脚与电路板基板的互连处模型的建立采用竞争失效法则（即“最小薄弱原理”）。
整个流程中各主要步骤如下所示。
（1）获取集成电路以及电路板组件结构及工艺信息。
（2）根据电路板组件工作环境条件制定寿命周期环境剖面。
（3）基于ANSYS软件进行仿真分析，获取热仿真与振动仿真结果，为基于失效物理的故障预计提供数据支撑。
（4）建立热故障预计模型与振动故障预计模型，分别进行寿命仿真分析，可得到故障预计结果，基于竞争失效机制，确定集成电路失效状态，并得到寿命仿真计算结果。
2 研究对象
项目选取的某PCB电路板组件有限元模型网格划分图如图2所示，图右显示了集成电路详细模型的网格划分效果。电路板组件模型采用SolidWorks软件建立，对目标集成电路进行详细的三维模型建模，对其他元器件采用长宽高与之相同的长方体等效处理。使用ANSYS软件进行仿真分析，用内部MPC约束算法建立接触单元来处理各元器件和电路板基板的装配关系。
3 寿命周期环境剖面
热仿真分析环境条件根据基本试验中的各种工作环境温度以及产品工作时对应的环控条件制定。因此，参考典型电子装备高温低温试验条件[8]，确定仿真温度环境如下：热天地面阶段工作和不工作温度为+70 ℃，冷天地面阶段工作和不工作温度为-55℃；热天飞行阶段工作温度为+55 ℃，冷天飞行阶段工作温度为-40 ℃。
参照典型电子装备环境试验条件，确定电路板随机振动试验的功率谱密度，其最大值W0为0.04 g2/Hz。综上，按照电路板实际工作条件，将环境应力简化为温度循环1（冷天工作）、温度循环2（热天工作）和随机振动，见表1。
4 有限元仿真分析
4.1 热仿真分析
针对工作环境温度为70 ℃、55 ℃、-40 ℃、-55 ℃的情況进行稳态热分析，表2为环境温度70 ℃时电路板组件温度云图和集成电路温度云图。
通过对70 ℃工作环境温度下电路板、集成电路温度数据进行统计，得热分析结果，电路板组件平均温度为80.4 ℃，温升为10.4 ℃，集成电路平均温度为82.7 ℃，温升为12.7 ℃。
4.2 振动分析
（1）模态分析。
振动分析时将电路板两端插入导轨，故约束两端UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ自由度；同时电路板两侧面被压紧，故约束其UX方向自由度，并将约束载荷置于载荷集Constraints中。获取电路板组件前三阶模态振型如表3所示。
（2）随机振动分析。
在完成模态分析基础上按照振动环境条件开展随机振动分析，可获取位移云图、加速度云图。表4显示了电路板组件位移云图、电路板组件加速度云图。
对随机振动位移与加速度结果进行归纳，可得电路板位移、加速度，集成电路位移，为进行集成电路寿命计算提供数据支撑。
5 寿命仿真分析
5.1 模型建立
该研究中使用的寿命仿真软件工具是CALCE-PWA，该软件是用于电子组件设计和分析的一组集成工具，输入热分析与振动分析的结果，利用其故障模型可对印制板器件进行工作剖面下的故障预计。在完成电路板建模、部件建模和元器件建模的基础上形成最终模型。
5.2 剖面设置
从热仿真结果中获取集成电路平均壳温和集成电路安装位置的电路板表面平均温度，并按照温度剖面将集成电路的详细温度数据输入CALCE-PWA软件中；结合随机振动仿真结果设置振动剖面。表5给出温度循环1（冷天工作）、温度循环2（热天工作）和振动剖面示例。 5.3 寿命预计
定义并加载集成电路寿命剖面后，即可以对集成电路在各种类型剖面下的失效前循环数/时间进行计算，汇总结果如表6所示。
通过Miner定理计算集成电路温度循环、随机振动下的平均首发故障前时间，见表7，集成电路失效状态为热失效，失效循环数为260 089。
6 结语
针对集成电路故障预计的仿真是利用结构、工艺和应力等性能参数建立产品的数字模型并进行失效分析。该文介绍了基于竞争失效机制的集成电路寿命评估流程，并以某型号集成电路进行仿真分析，确定了该集成电路的失效状态与失效循环次数。基于虚拟样机技术的集成电路寿命分析方法可应用于产品设计各个阶段，并减少物理样机试验成本，为评估集成电路的可靠性提供依据。
参考文献
[1] 任占勇.数字化研制环境下的可靠性工程技术[M].北京：航空工业出版社，2015：92-98.
[2] Amy R A，Aglietti G S，Richardson G.Board-level vibration failure criteria for printed circuit assemblies： an experimental approach[J].IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing，2010，33（4）：303-311.
[3] Al-Yafawi A，Patil S，Da Yu，et al.Random vibration test for electronic assemblies fatigue life estimation[A].Proceedings of Intersociety Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conference[C].Binghamton：IEEE，2010.
[4] 高馳名，刘莹，马建章.ANSYS 在印制电路板组件随机振动分析中的应用[J].无线电工程，2015（7）：95-98.
[5] Shankaran G V，Dogruoz M B，Dearaujo D.Orthotropic thermal conductivity and Joule heating effects on the temperature distribution of printed circuit boards[A].IEEE Symposium on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems[C].Binghamton：IEEE，2010.
[6] Hatakeyama T，Ishizuka M，Nakagwa S，et al.Development of practical thermal design technique of printed circuit boards for power electronics[A].Proceedings of Intersociety Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conference[C].Binghamton：IEEE，2010.
[7] 颜燕，帅喆.浅谈对集成电路加速寿命试验的认识[J].电子与封装，2012（5）：42-44.
[8] 郭强岭.对机载武器可靠性试验剖面环境应力的探讨[J].航空标准化与质量，2005（2）：33-35.
关键词：集成电路 寿命仿真 分析流程 竞争失效 CALCE-PWA
中图分类号：V263.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0067-04
由于电子设备对温度、振动最为敏感，且根据对电子产品失效原因的统计，温度因素占43.3%，振动因素占28.7%，由这2种应力作用导致的产品的失效为71%[1]。因此，研究集成电路寿命需主要对温度和振动2种应力进行仿真、评估并预计。据此寿命仿真主体结构中涉及的仿真项目主要有热仿真、振动仿真、故障预计仿真。在诸如印刷电路板的典型电子产品的服役期内，热应力、机械应力是产品所承受的主要环境载荷。文献[2-4]从器件级薄弱环节的失效物理建模出发，通过对整板PCB的振动仿真与实验，计算了元器件的寿命。文献[5-7]研究了集成电路的寿命试验条件，并对PCB电路板组件的温度分布进行了仿真与实验研究。此外，国内外学者针对集成电路的失效类别、失效原因开展了大量研究。但是上述研究较多的依赖物理样机试验，且计算集成电路寿命时未能综合考虑集成电路复杂的失效因素。
该文基于协同仿真技术，采用竞争失效机制，选用电子产品中的一个整板PCB作为研究对象，对集成电路寿命进行预测，可在产品设计阶段对集成电路的可靠性进行评估，并减少物理样机试验成本。
1 寿命分析流程
基于竞争失效机制的集成电路寿命预测的仿真分析流程如图1所示。首先基于集成电路封装类型完成模型建立；然后分别从热仿真、振动仿真中导入模型所需应力参数，加载集成电路寿命剖面；最后根据竞争失效机制，获取集成电路寿命。其中，集成电路管脚与电路板基板的互连处模型的建立采用竞争失效法则（即“最小薄弱原理”）。
整个流程中各主要步骤如下所示。
（1）获取集成电路以及电路板组件结构及工艺信息。
（2）根据电路板组件工作环境条件制定寿命周期环境剖面。
（3）基于ANSYS软件进行仿真分析，获取热仿真与振动仿真结果，为基于失效物理的故障预计提供数据支撑。
（4）建立热故障预计模型与振动故障预计模型，分别进行寿命仿真分析，可得到故障预计结果，基于竞争失效机制，确定集成电路失效状态，并得到寿命仿真计算结果。
2 研究对象
项目选取的某PCB电路板组件有限元模型网格划分图如图2所示，图右显示了集成电路详细模型的网格划分效果。电路板组件模型采用SolidWorks软件建立，对目标集成电路进行详细的三维模型建模，对其他元器件采用长宽高与之相同的长方体等效处理。使用ANSYS软件进行仿真分析，用内部MPC约束算法建立接触单元来处理各元器件和电路板基板的装配关系。
3 寿命周期环境剖面
热仿真分析环境条件根据基本试验中的各种工作环境温度以及产品工作时对应的环控条件制定。因此，参考典型电子装备高温低温试验条件[8]，确定仿真温度环境如下：热天地面阶段工作和不工作温度为+70 ℃，冷天地面阶段工作和不工作温度为-55℃；热天飞行阶段工作温度为+55 ℃，冷天飞行阶段工作温度为-40 ℃。
参照典型电子装备环境试验条件，确定电路板随机振动试验的功率谱密度，其最大值W0为0.04 g2/Hz。综上，按照电路板实际工作条件，将环境应力简化为温度循环1（冷天工作）、温度循环2（热天工作）和随机振动，见表1。
4 有限元仿真分析
4.1 热仿真分析
针对工作环境温度为70 ℃、55 ℃、-40 ℃、-55 ℃的情況进行稳态热分析，表2为环境温度70 ℃时电路板组件温度云图和集成电路温度云图。
通过对70 ℃工作环境温度下电路板、集成电路温度数据进行统计，得热分析结果，电路板组件平均温度为80.4 ℃，温升为10.4 ℃，集成电路平均温度为82.7 ℃，温升为12.7 ℃。
4.2 振动分析
（1）模态分析。
振动分析时将电路板两端插入导轨，故约束两端UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ自由度；同时电路板两侧面被压紧，故约束其UX方向自由度，并将约束载荷置于载荷集Constraints中。获取电路板组件前三阶模态振型如表3所示。
（2）随机振动分析。
在完成模态分析基础上按照振动环境条件开展随机振动分析，可获取位移云图、加速度云图。表4显示了电路板组件位移云图、电路板组件加速度云图。
对随机振动位移与加速度结果进行归纳，可得电路板位移、加速度，集成电路位移，为进行集成电路寿命计算提供数据支撑。
5 寿命仿真分析
5.1 模型建立
该研究中使用的寿命仿真软件工具是CALCE-PWA，该软件是用于电子组件设计和分析的一组集成工具，输入热分析与振动分析的结果，利用其故障模型可对印制板器件进行工作剖面下的故障预计。在完成电路板建模、部件建模和元器件建模的基础上形成最终模型。
5.2 剖面设置
从热仿真结果中获取集成电路平均壳温和集成电路安装位置的电路板表面平均温度，并按照温度剖面将集成电路的详细温度数据输入CALCE-PWA软件中；结合随机振动仿真结果设置振动剖面。表5给出温度循环1（冷天工作）、温度循环2（热天工作）和振动剖面示例。 5.3 寿命预计
定义并加载集成电路寿命剖面后，即可以对集成电路在各种类型剖面下的失效前循环数/时间进行计算，汇总结果如表6所示。
通过Miner定理计算集成电路温度循环、随机振动下的平均首发故障前时间，见表7，集成电路失效状态为热失效，失效循环数为260 089。
6 结语
针对集成电路故障预计的仿真是利用结构、工艺和应力等性能参数建立产品的数字模型并进行失效分析。该文介绍了基于竞争失效机制的集成电路寿命评估流程，并以某型号集成电路进行仿真分析，确定了该集成电路的失效状态与失效循环次数。基于虚拟样机技术的集成电路寿命分析方法可应用于产品设计各个阶段，并减少物理样机试验成本，为评估集成电路的可靠性提供依据。
参考文献
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[5] Shankaran G V，Dogruoz M B，Dearaujo D.Orthotropic thermal conductivity and Joule heating effects on the temperature distribution of printed circuit boards[A].IEEE Symposium on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems[C].Binghamton：IEEE，2010.
[6] Hatakeyama T，Ishizuka M，Nakagwa S，et al.Development of practical thermal design technique of printed circuit boards for power electronics[A].Proceedings of Intersociety Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conference[C].Binghamton：IEEE，2010.
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[8] 郭强岭.对机载武器可靠性试验剖面环境应力的探讨[J].航空标准化与质量，2005（2）：33-35.