复杂组件封装可靠性仿真评价方法-编制说明

中国电子学会

中国电子学会团体标准

《复杂组件封装可靠性仿真评价方法》编制说明

一、工作简况

1、任务来源

《复杂组件封装可靠性仿真评价方法》标准制定是2021年中国电子学会团体标准计划项

目之一，计划号：JH/CIE187-2021，由中国电子学会可靠性分会提出，由中国电子学会可

靠性分会归口，主要承办单位为工业和信息化部电子第五研究所。项目起止时间：

2021.08-2022.05。

2、主要工作过程

2021年12月，成立了编制组，编制组成员包括长期从事封装可靠性评价的技术人员和试

验成员，以及具有多年国标编制经验的标准化专家。

2022年1月-2022年3月，编制工作组讨论稿，内部召开讨论会，修改、完善标准内容并

开展必要的标准验证试验，形成了标准的征求意见稿，并编写编制说明。

3、标准编制的主要成员单位及其所做的工作

本标准由工业和信息化部电子第五研究所主编，编制组的主要成员单位还包括中国电子

科技集团公司第五十八研究所、中科院微电子技术研究所、中国电子科技集团公司第十研究

所。主要工作包括相关标准和文献调研、标准技术点研究、标准编制以及意见征集。

二、标准编制原则和确定主要内容的论据及解决的主要问题

1、编制原则

参照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》进行标

准编制。

2、确定标准的主要内容和框架

标准中对于可靠性评价工作项目、关键结构评价验证等主要内容的规定都来自于大量的

文献调研和编制组长期的测试经验。本标准的结构和内容框架包括：（1）范围；（2）规范

性引用文件；（3）术语和定义；（4）可靠性评估项目及流程；（5）复杂组件封装关键结

构可靠性验证；（6）附录A复杂组件封装倒装凸点可靠性验证评价方案；（7）附件B复

杂组件封装中芯片粘接可靠性验证评价方案；（8）附件C复杂组件封装键合可靠性验证评

价方案；（9）附件D复杂组件板级互连可靠性验证评价方案

3、编制过程中解决的主要问题

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编制过程中需要解决的主要问题包括：

（1）在“可靠性评估项目及流程”中确定了可靠性评价工作项目和可靠性仿真评价基

本流程。国内电子组件大量采用复杂组件封装，其可靠性要求不断提高、研制周期不断缩短，

准确、快速的可靠性评价技术逐渐受到重视。然而，国内大多数可靠性评价标准GJB/Z299C

以及GJB/Z108A多为基于数理统计的可靠性预计，时效性、普适性较差，难以适应装备研

制周期短的需求。基于仿真的封装可靠性评价今年成为复杂封装快速可靠性评价的一种有效

手段，但随着封装结构的密度不断提高、封装结构的不断复杂化，其失效模式、失效机理逐

渐呈现多样化，综合可靠性评价方法缺乏规范化，难以工程化应用。为了对基于失效机理的

可靠性仿真评价方法做规范化约定，从而推动基于失效物理的可靠性评价技术的工程化应

用，本标准确定了可靠性评估项目及流程中的以下相关问题：

a、明确了复杂组件封装可靠性评价仿真流程与需考虑的试验验证项目；

b、给出了复杂组件封装可靠性评价仿真的基本流程，包括数字样机建模、载荷-应力分

析、单点单机理寿命分布拟合、多机理竞争、可靠性试验剖面合成、复杂组件封装薄弱环节

识别及失效模式分析。

（2）在“复杂组件封装关键结构可靠性验证”中确定了芯片、芯片凸点、芯片粘接胶、

引线键合，板级互连等关键结构的可靠性验证方案：

a、针对芯片热载流子注入、与时间有关的介质击穿、电迁移、负偏置温度不稳定性四

大主要失效机理标准中参照了GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》，MIT-STD-883E

《微电子器件试验方法和步骤》进行规定。

b、针对芯片凸点，主要考虑电迁移失效的问题，标准通过附件1给出了考虑温度条件芯

片凸点电迁移寿命评价试验，给出了凸点寿命数据获取流程。

c、针对芯片有机胶粘接，主要考虑老化失效的问题，标准通过附件2给出了考虑温度因

素的有机粘接胶的老化寿命评价试验，给出了有机胶粘接寿命数据获取流程。

d、针对引线键合，主要考虑老化失效的问题，标准通过附件3给出了考虑温度因素的引

线键合的老化寿命评价试验，给出了引线键合寿命数据获取流程。

e、针对板级互连，主要考虑温度损伤、振动机械损伤疲劳失效的问题，标准通过附件4

给出了在循环温度应力下板级互连非弹性变形、随机振动应力下板级互连应力集中点引发的

微裂纹的寿命评价试验方法，给出了板级互连寿命数据获取流程。

三、主要试验[或验证]情况分析和预期达到的效果

针对某款1000pin以上倒装焊封装板级互连样品，进行了本标准封装可靠性仿真评价方

法的适用性验证。

3.1基于工艺-服役全流程仿真的损伤识别与寿命预测

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首先，对全模型进行工艺模拟；然后，在工艺模拟完成后，建立关键结构(包括芯片微

凸点、芯片填充料、板级焊柱等)的模型，通过边界插值的方法将工艺引入应力/应变/翘曲

作为模块温度循环服役的初始条件，进行温度循环服役模拟，由此，模型的温度循环模拟结

果即为各个关键结构在工艺-服役全流程载荷下倒装焊封装板级互联模块各个关键结构的应

力/应变/翘曲/非弹性功密度等结果数据；最后，基于这些数据，即可实现基于失效物理模

型进行可靠性寿命评价。

3.1.1全模型参数

建立倒装焊封装板级互连样品全模型，几何模型1/4部分展示如图1所示，模型包括

盖板，焊框，TSV转接板，导热胶，芯片，填充料，微凸点等结构。

盖板

导热胶

焊框芯片

填充胶

硅基板(微凸点)

图1全模型几何结构示意

（1）结构参数

根据给出的相关结构的外形尺寸，结合计算的结果和调研情况，最终确定了合理结构

参数数值(此处为整体尺寸)，结构参数如表1所示。

表1全模型几何结构示意

名称数量备注

TSV转接板135.00mm×35.00mm×1.50mm

Sn63Pb37

Sn凸点1156

凸点直径：0.07mm，凸点高度：0.025mm

铜柱1156直径：0.07mm，高度：0.03mm，中心距：0.6mm

填充料适量厚0.055mm

芯片122.2mm×22.2mm×0.5mm

导热胶适量厚0.8mm

一体化散热片1钼铜热沉+可伐焊框(高度：1.455mm)

（2）材料参数

通过文献调研和查阅相关资料，整理了各材料参数的合理范围，通过相关仿真测试对参

数进行修正，最终确定了一组相对准确的材料参数数值，倒装焊封装各材料参数如表2所

示。其中，根据多尺度问题的材料均匀化模型分别计算出了凸点+填充料层和铜柱+填充料层

的等效材料参数，填充料的弹性模量跟温度有关，如表3所示。

表2全模型材料参数

弹性模量E(GPa)泊松比ν热膨胀系数α(×10-6/℃)

TSV转接板1310.245.8

Sn凸点410.3623

铜柱1190.32617.5

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填充料-0.3533

凸点+填充料层10.280.350432.640

铜柱+填充料层10.980.347931.496

芯片1310.302.6

导热胶10.20.3029

焊框1410.375.9

盖板2100.307.5

表3全模型材料参数

温度(℃)弹性模量E(GPa)温度(℃)弹性模量E(MPa)

-308.48705.172×103

307.644904.115×103

406.7021202.459×103

605.588

同时，考虑到铜的塑性和凸点的塑性和蠕变，分别应用了相应的模型。铜用的是双线

性各向同性塑性模型(BISO)，其参数如表4所示。Sn凸点采用多线性各向同性塑性模型

MultilinearIsotropicHardening(MISO)(Time-IndependentPlasticity)和(Implicit)

8-GeneralizedGarofalo(Time-DependentPlasticity)蠕变模型。

•−C4

C3T(1)

ecreep=C1[sinh(C2s)]e

其参数分别如表5和表6所示。

表4全模型材料参数

Yieldstress(MPa)Tangentmodulus(MPa)

2256.666E3

表5多线性各向同性塑性模型(MISO)参数

Temp(K)ε1ε2ε3σ1(MPa)σ2(MPa)σ3(MPa)

2787E-43E-312141600

3237E-43E-311931400

表6蠕变模型参数

C1(sec-1)C2(MPa-1)C3C4(K)

100.2025401.2

对铜柱凸点全模型进行网格划分，有限元模型如图7-3所示，有限元模型包含70441

个节点和59788个单元。

3.1.2全模型工艺模拟及温度循环

（1）工艺流程及载荷边界条件

采用生死单元技术，首先模拟了工艺过程，每步工艺对应的工艺温度及工艺流程图分

别如图2和图3所示。工艺过程被分为10个载荷步，其中电镀铜柱温度为45℃，焊点焊

接温度为275℃，下填料填充温度为110℃，导热胶填涂温度为130℃，盖板焊接温度为230℃，

板级焊柱焊接温度为300℃。对模型的底面中心一点进行全约束。

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图2工艺温度

芯片

填涂导热胶

微凸点

焊框盖板密封

焊点焊接

填充料填充

板级焊柱焊接

图工艺流程图

3

（2）工艺仿真结果与结果分析

工艺仿真完成后，提取每步工艺的最大应力、最大应变及最大翘曲值，如表7所示。

表7每步工艺的应力，应变，翘曲值

载荷步vonMises应力(MPa)应变翘曲(μm)

10.023×10-60.176×10-120.817

2390.328×10-30.098

32260.002127.9

445.90.002217

554.60.0014237

6500.0011236

733.30.0035236

886.60.0067237

978.90.011236

101120.008237

111400.016150

126900.015367

图4为每步工艺对应的vonMises应力分布云图。第1载荷步仅为单纯的升温过程，

温度从室温25℃升到45℃。第2载荷步在芯片上电镀铜柱后将温度从45℃降到室温，最大

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应力出现在铜柱上，该铜柱的应力分布如图4(b)所示，最大应力值为39MPa。第3载荷步

只是一个单纯的升温过程，将温度从室温升到275℃，最大应力出现在铜柱上，该铜柱的应

力分布如图4(c)所示，最大应力值为226MPa。第4载荷步为通过焊点将铜柱和基板焊接在

一起，然后将温度从275℃降到室温，最大应力出现在铜柱上，该铜柱的应力分布如图4(d)

所示，最大应力值为45.9MPa。第5载荷步为单纯的升温过程，温度从室温升到110℃，最

大应力依然出现在铜柱上，该铜柱的应力分布如图4(e)所示，最大应力值为54.6MPa。第

6载荷步为进行下填料的填充，然后将温度从110℃降到室温，最大应力出现在底部填充胶

的边缘位置，如图4(f)所示，最大应力值为50MPa。第7载荷步为单纯的升温过程，将温

度从室温升到130℃，最大应力出现在凸点上，如图4(g)所示，最大应力值为33.3MPa。

第8载荷步为填涂导热胶，然后将温度从130℃降到室温，最大应力出现在导热胶和芯片接

触的边缘位置，如图4(h)所示，最大应力值为86.6MPa。第9载荷步为单纯的升温过程，

将温度从室温升到230℃，最大应力出现在导热胶和芯片接触的边缘位置，如图4(i)所示，

最大应力值为78.9MPa。第10载荷步为焊接盖板，然后将温度从230℃降到室温，最大应

力出现在铜柱上，如图4(j)所示，最大应力值为112MPa。第11载荷步为单纯的升温过程，

将温度从室温升到300℃，最大应力出现在铜柱上，如图4(k)所示,最大应力值为140MPa。

第12载荷步为焊接板级焊柱，然后将温度从300℃降到室温，最大应力出现在焊框上，如

图4(l)所示，应力达到整个工艺流程的最大值，且值为690MPa，但此载荷步中焊柱的应

力只有39.3MPa。

Max

Max

(a)第1载荷步(b)第2载荷步

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MaxMax

(c)第3载荷步(d)第4载荷步

Max

(e)第5载荷步

Max

Max

(f)第6载荷步(g)第7载荷步

MaxMax

(h)第8载荷步(i)第9载荷步

-7-

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MaxMax

(j)第10载荷步(k)第11载荷步

Max

393MPa

(l)第12载荷步

图4每步工艺的vonMises应力分布

图5为每步工艺对应的最大vonMises应力曲线图，从曲线图可以清晰地看出，载荷

步3和载荷步12的应力相对较大，分别为电镀铜柱和板级焊柱的焊接，最大应力分别为226

MPa和690MPa。

690MPa

226MPa

图每步工艺的最大应力

5vonMises

图6为每步工艺对应的最大应变曲线图，从曲线图可以清晰地看出，应变相对较大的

工艺步分别为焊点的焊接、导热胶填充和板级焊柱的焊接，最大应变值分别为0.002，0.011

和0.016，板级焊柱的焊接应变为最大。

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0.016

图每步工艺的最大应变值

6

图7为每步工艺对应的翘曲值曲线图，从曲线图可以清晰地看出，翘曲值增加的第一

个阶梯为第5载荷步之后，可知下填料和导热胶的填充对翘曲有很大影响，翘曲值稳定在

237μm左右。载荷步12的翘曲最严重，对应的工艺过程为板级焊柱的焊接，可能由于焊

柱较高的焊接温度的影响，该步工艺翘曲值达到了367μm。

367μm

237μm

图7每步工艺的翘曲值

（3）温度循环

在保留工艺过程残余应力的基础上进行温度循环。温度循环曲线进行了5次循环

(-65℃-150℃)，降温时间为10min，升温时间为15min，保温5min。

3.1.3温循过程中损伤识别与寿命预测

（1）芯片微凸点模型

建立对应全模型的芯片微凸点部分的模型，对角点位置的两个铜柱凸点进行细化建

模，如图8所示，包括基板，Cu焊盘，下IMC层，Sn凸点，上IMC层，铜柱，RDL层，PI1

层，PI2层，导电层，芯片，引出导线，有限元模型包含120006个节点和112220个单元。

结构参数参见表8，材料参数参见表9。

表8芯片微凸点模型结构参数

名称备注

Cu焊盘直径：0.07mm，高度：1µm

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下IMC层直径：0.07mm，高度：3µm

Sn凸点直径：0.0728mm，高度：0.02mm

上IMC层直径：0.07mm，高度：3µm

铜柱直径：0.07mm，高度：0.025µm

RDL层直径：0.07mm，高度：3µm

PI1层厚：4µm

PI2层厚：8µm

导电层1.2mm×0.6mm×10µm

表9芯片微凸点模型材料参数

3

密度ρ(Kg/m)热导率(W/m•K)电阻率(Ω•m)

基板31003.3-

Cu焊盘89003981.7E-8

下IMC层-34.117.5E-8

Sn凸点-6713E-8

上IMC层-34.117.5E-8

铜柱89003981.7E-8

RDL层89003981.7E-8

PI1层15000.7-

PI2层20000.7-

导电层89003981.7E-8

芯片2334125-

引出导线89003981.7E-8

图8芯片微凸点模型

(a)应力分布(b)应力随温循变化

图9微凸点模型的应力分布及其随温度循环的变化

提取微凸点、RDL应力云图及温度循环过程中微凸点中关键点应力变化曲线，如图9

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所示。综合整个温度循环过程来看，在第一步降温之后应力最大，最大可达到42MPa。

大多数针对焊点疲劳的研究集中在温度循环测试条件下的焊点疲劳，根据疲劳理论，

疲劳寿命可以认为是疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹传播寿命的和。Darveaux模型是一个包

含4个参数，描述失效时的循环次数和每次循环积累的平均应变能密度之间关系的模型。

Darveaux本构模型一般用于材料属性为时间无关塑性和时间相关蠕变的情况，所以最终选

用该模型来预测焊点的疲劳寿命。

Darveaux模型可写成如下形式：

a

a=N+

w0da

dN(2)

其中，αw为特征寿命，a为焊点直径(即最终裂纹的长度)，N0为出现裂纹时的循环次

数，da/dN为裂纹的传播速度。与裂纹扩展相关的数据符合以下关系式：

=∆K2

裂纹萌生：N0K1Wave(3a)

daK4

=K3∆Wave

裂纹扩展：dN(3b)

其中，ΔWave为平均应变能密度，K1、K2、K3、K4为四个参数，通过文献调研，最终确

定四个参数的值如表10所示。

表10凸点Darveaux模型四个参数

K1K3

K2K4

K-7K

(cycles/psi2)(10in/cycle/psi4)

71000-1.622.761.05

平均应变能密度公式如下：

∑∆W•V

∆Wave=

∑V(4)

其中，ΔW为每个单元每个循环内积累的非弹性应变能密度，V为每个单元的体积。

温循过程中，随着时间的增加，蠕变应变不断积累，呈现阶梯上升的趋势，最终积累

到0.117。塑性应变在工艺过程中积累现象明显，达到0.33，在温循过程中塑性应变保持不

变的状态。温循过程中von-Mises应力随时间也呈现周期变化的趋势，每个周期的最大应力

值相对工艺残余应力有很大程度的降低，约为35MPa，由于蠕变的应力释放，最终应力为0。

3

根据温循分析和计算结果，最终得到平均应变能密度ΔWave的值为26228.3063J/m，并通过

Darveaux模型，最终计算得到特征寿命αw的值为10614cycles。

（2）填充料模型

填充料模型结构参数如表11所示。

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表11填充料模型结构参数

名称数量备注

填充料10.27mm×0.270mm×0.073mm

微凸点4凸点截面直径：0.070mm，凸点高度：0.03mm

PI内铜柱4铜柱直径：0.070mm，铜柱高度：0.015mm

PI2层10.27mm×0.27mm×0.010mm

上IMC层4直径：0.070mm，高度：0.003mm

下IMC层4直径：0.070mm，高度：0.003mm

铜焊盘4直径：0.070mm，高度：0.002mm

RDL20.27mm×0.09mm×0.005mm

PI1层10.27mm×0.27mm×0.007mm

填充料模型结构包括：微凸点、铜焊盘、IMC层、PI层、RDL、填充料。采用热分析

结构单元SOLID185进行建模，模型包含4730个节点和3888个单元。

(a)应力分布(b)应力随温循变化

图10填充料模型的应力分布及其随温度循环的变化

填充料作为芯片与基板间的粘接结构，起到缓冲失配应力，保护互连凸点的作用。而

粘接结构的退化受到湿度和温度的联合影响，对其进行寿命预测时，不能单纯地使用

Arrhenius模型或Eyring模型，而应采用稳态条件下的温湿度模型peck模型：

E

t=c×H-nea(5)

LκT

tL为产品贮存寿命；Ea为激活能，取值0.59；T为温度应力；

H为相对湿度(单位：%RH)；

κ为玻尔兹曼常数，取值8.167×10-5；

c为常数，取值68.62；n为大于0的无单位常数，取值3.67。

代入相应数值，得到tL=757500h，按照75min/cycle计算，其特征寿命为606000

cycles。

（3）板级焊柱模型

板级焊柱模型结构包括：基板、板级焊柱、PCB板。对板级焊柱模型进行网格划分，

有限元模型如图11所示，有限元模型包含197494个节点和163880个单元。结构参数如表

12所示。板级焊柱模型各材料参数如表13所示。其中，根据多尺度问题的材料均匀化模型

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计算出了板级焊柱等效材料参数。可靠性测试中温度对模型中PCB板、基板等结构的参数

影响不大，所以除板级互连结构外其他材料都是线弹性材料。焊柱材料采用Sn10Pb90，其

高温条件下表现为粘塑性，描述粘塑性的Anand本构模型参数见表14。

图板级焊柱模型

11

表12板级焊柱模型结构参数

名称数量备注

基板135.00mm×35.00mm×0.6mm

板级焊柱1156凸点直径：0.52mm，凸点高度：2.54mm

板级等效层132mm×32mm×2.54mm

PCB板135mm×35mm×0.6mm

表13板级焊柱模型材料参数

弹性模量E(GPa)泊松比ν热膨胀系数α(×10-6/℃)

基板1200.245.8

板级焊柱19.0340.3029

板级等效层3.8150.3029

PCB板230.2820

表14Sn10Pb90的Anand粘塑性模型参数

QA/

参数So/MPa7-1ξMHo/MPaS/MPana

R/K(10S)

Sn10Pb9015.09155833.2570.14178772.730.00443.73

(a)应力分布(b)应力随温循变化

图12焊柱模型的应力分布及其随温度循环的变化

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(a)应变分布(b)应变随温循变化

图13焊柱模型的应变分布及其随温度循环的变化

图12为板级焊柱应力分布及其在温度循环过程中的变化曲线。综合整个温度循环过

程来看，在每次升温之后应力最大，最大可达到39.8MPa，且最大应力位置在角点焊柱上，

保温阶段应力值缓慢减小，但温度升温到初始值时，应力值也大幅减小，几乎恢复到原来的

值。如图13所示为角点焊柱非弹性应变积累到最大值时的应变分布云图及其温度循环过程

中的变化曲线。应变在温度显著变化时变化幅度很大，所以随着升温，降温的循环进行，会

加速焊料的失效。每个温度循环结束后，非弹性应变都有一定的积累，随着循环次数的增加，

应变不断积累，最终导致焊料的失效,板级焊柱危险点处的应变值最终积累到0.009721。

焊柱的寿命预测用的是Darveaux模型。Darveaux模型是一个包含4个参数，描述失

效时的循环次数和每次循环积累的平均应变能密度之间关系的模型。Darveaux本构模型一

般用于材料属性为时间无关塑性和时间相关蠕变的情况，所以最终选用该模型来