[发明专利]一种计算集成电路芯片焊点热疲劳失效概率的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子系统集成电路领域，具体涉及一种计算集成电路芯片焊点热疲劳失效概率的方法。

背景技术

在电子系统集成电路中，芯片是直接焊接到PCB或陶瓷基板表面，通过焊点实现器件和电路板之间的电气与机械连接。随着芯片集成度的提高和工作环境的复杂化，其发热密度也越来越高，集成电路的过热问题已经成为电子系统失效的主要原因。在随机和非对称循环热载荷作用下，集成电路芯片焊点的疲劳损伤逐渐累加，当累积损伤达到某一数值时，结构就会发生疲劳破坏而产生热疲劳失效，定量地预测和计算集成电路芯片焊点热疲劳失效概率和热疲劳可靠度是预防电路发生故障和保证电子设备稳定可靠工作最根本的途经，也是芯片进行热可靠性设计的前提和基础，它为集成电路芯片改进热设计提供依据，从而有针对性地进行热可靠性优化设计。

但是芯片疲劳破坏一般要经历材料局部出现高塑性区、萌生短裂纹、短裂纹扩展、长裂纹扩展到失效的复杂动态物理过程，焊点内部产生的热应力与外部环境、热载荷、芯片及基板几何尺寸及材料特性存在复杂的关系，很难用固定的数学模型进行描述，并且焊料的强度也是一种动态的时变过程，它的强度会随着使用时间的增加而在应力的作用下逐渐退化，它与焊料的初始强度，工作的平均温度，温度循环的幅度和热载荷作用的次数之间存在复杂的强非线性关系，采用传统的疲劳试验根本很难获得，应用在机械领域的估算模型如Gerber,Goodman,Soderberg,CepeHceH,Morrow和DING氏模型很难适合动态时变强非线性的集成电路芯片焊点的热疲劳可靠性计算和设计。以上原因使得集成电路芯片焊点定量的热疲劳失效概率和热疲劳可靠度的计算存在很大的困难，目前主要是凭经验进行一些定性的预测，一些学者提出一些理论和方法如Schaff提出的剩余强度模型，巴西国立学会的空间研究院的LuisAntBnio、Waak Bambace等人提出的边界积分方法，波特兰州立大学机械工程学院的马一东提出的分界面热对流数值方法等，它们都采用单一的和确定性的模型，不能从根本上满足集成电路芯片焊点热疲劳可靠性设计和计算的要求。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种能够满足集成电路芯片焊点热疲劳可靠性设计要求的计算集成电路芯片焊点热疲劳失效概率的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种计算集成电路芯片焊点热疲劳失效概率的方法，包括以下步骤：

（1）确定集成电路芯片焊点热疲劳可靠性的影响参数；所述影响参数为芯片本体的弹性模量(E_c)、芯片本体的热传导系数(TC_c)、芯片本体的热膨胀系数(C_c)、焊点的弹性模量(E_w)、焊点热传导系数(TC_w)、焊点热膨胀系数(C_w)、基板的弹性模量(E_b)、基板热传导系数(TC_b)、基板热膨胀系数(C_b)、芯片工作热循环的平均温度(T_c)、芯片的长度(L_c)、芯片的宽度(W_c)、基板的长度(L_b)、基板的宽度(W_b)、焊球的高度(H_w)和焊球半径(R_w)；

（2）以正态分布随机地产生n组影响参数，并通过有限单元数值计算与每一组影响参数对应的最大等效的热应力；其中n为大于1的正整数；

（3）对步骤（2）中产生的n组影响参数进行归一化处理；

（4）将步骤（3）中经过归一化处理后的数值作为输入，封装芯片焊点最大的热应力作为输出，将步骤（2）中的n组影响参数经过归一化处理后数据和对应的热应力作为支持向量机的训练样本，对最小二乘支持向量机进行训练和优化，得到影响参数-热应力之间的强非线性关系；

（5）基于最小二乘支持向量机建立芯片动态时变焊料热疲劳强度模型；所述芯片动态时变焊料热疲劳强度模型以焊料的初始强度、工作的平均温度、温度循环的幅度和热载荷作用的次数作为最小二乘支持向量机的输入，焊料的热疲劳强度作为最小二乘支持向量机的输出；

（6）根据步骤（4）中得到的影响参数-热应力之间的强非线性关系，以及步骤（5）中得到的芯片动态时变的疲劳强度的智能模型，通过CRS方法计算出芯片焊点的热疲劳失效概率。