芯片失效分析

1.简要介绍

随着技术的不断进步，芯片的封装工艺不断往小型化的方向发展，BGA封装的芯片在实际使用过程中会出现焊点连接失效等问题，本文对某芯片进行失效分析，介绍模态分析和谐响应分析的流程。

2.有限元仿真设置

  使用三维设计软件建立芯片模型，其中忽略了芯片引脚、基板布线等结构，简化模型包括主芯片（陶瓷封装）、其余芯片（塑料封装）、连接器插槽、PCB板、螺钉等，如下图所示。

  分别对主芯片（陶瓷封装）、其余芯片（塑料封装）、连接器插槽、PCB板、螺钉等设置相关材料参数。

  接下来进行边界条件设置：1）对4个螺钉设置固定约束；2）其余器件之间设置为结合接触。

  网格划分，生成的网格如下图所示。

  首先进行模态分析，计算完成后，提取芯片模态分布及对应的频率，如下图所示。

第一阶振型

第二阶振型

第三阶振型

  可以看出芯片前三阶固有频率低于500HZ，位移结果的大小在模态分析中没有意义。

  接下来进行谐响应分析，谐响应分析是用来确定结构在简谐载荷作用下的稳态响应，从而探测共振。

  结合模态分析结果，响应频率范围取0-500HZ，对固定约束上施加沿Z向的加速度载荷，频率-加速度载荷曲线如下图所示。

频率-加速度载荷曲线

  模块在一阶固有频率附近出现共振，主芯片最大应力值为1.6Mpa，

  模块在二阶固有频率附近出现共振，主芯片最大应力值为0.35Mpa，

  模块在三阶固有频率附近出现共振，主芯片最大应力值为0.23 Mpa，

  而主芯片的焊接材料Sn63Pb37在50℃条件下的许用应力值为22.96Mpa，因此在施加的载荷条件下，焊点不会出现开裂现象。

3.总结

  芯片失效仿真分析，首先需要进行模态仿真，得到结构的固有频率，接下来进行谐响应仿真，注意施加的载荷与频率的对应关系，得到固有频率下的应力值，并与结构的许用应力值比较，再结合实际情况进行优化设计。