作为5G元年的2019已经过去，随着四大运营商的基础设施投资和建设的不断推进，2020年将正式迈入5G时代，很快我们将体验到前所未有的5G工作和生活场景。利用更高速率、更宽带宽、更高可靠性、更低时延的5G技术，给生产和生活带来翻天覆地的变化。

5G是一个万物互联的时代，机器与机器能够通信将成为普遍的特点。据赛迪智库《5G十大细分应用场景研究报告》，5G将在VR/AR、超高清视频、车联网、联网无人机、远程医疗、智慧电力、智能工厂、智能安防、个人AI设备、智慧园区等方面大放异彩，具有非常广阔的前景。对于这些应用场景来说，依赖于5G的基础设施以及支撑技术的云计算，边缘计算，AI等关键技术，搭配场景终端设备，可完成极其丰富的功能和体验。

对于5G设备，比如5G智能手机、网络环节的片上系统（SoCs）、射频集成电路（RFIC）等，在有温度和功耗限制的环境下，需要具备强大的数据处理能力，其可靠性设计是必须重点考虑的一个方面，尤其需要从芯片、封装、系统多层次考虑其热可靠性以及结构可靠性。

本文将重点讨论电子产品结构可靠性设计方面的典型问题及其仿真解决思路。

1. 电子产品对结构可靠性的要求

据美国空军航空电子整体研究项目（US Air Force Avionics Integrity Program）发现，电子产品失效主要是由温度、振动、潮湿和粉尘引起。5G电子产品的性能和指标要求就更加苛刻，拿最典型的终端产品——手机来说，其5G功能工作在更高的频段，物理尺寸更加紧凑，电磁损耗更集中，其性能却更容易受到温度的影响，以及受到长时间外部使用环境的影响，因此，其具有更高的结构可靠性要求。

对于电子产品结构可靠性分析来说，可以从部件、系统两个维度进行分析；当然，电子产品可靠性也是一个复杂的多物理场分析过程。比如5G芯片设备，先进封装技术是保障5G芯片设备发挥极限性能，且低功耗要求的关键技术，高可靠性的封装就是5G芯片设备能长时间安全运行的保证。

时下先进的2.5D IC / 3D IC封装技术，包括通过硅通孔（TSV），管芯和晶片堆叠，系统封装（SiP），层叠封装（PoP），高级晶圆级封装（WLP），将成为5G芯片封装设计的主流选择。短互连路径由于提高了I / O速度，堆叠芯片之间的TSV实现更高的性能。它们还消耗较低的功率，因为堆叠了多个管芯，因此减小了电容并减小了尺寸。尽管这是一个非常有前途的技术，但由于其复杂性，仍充满了挑战。

系统层面，组装在一起的5G终端产品，还需考虑整机设备的变形、振动、跌落碰撞、散热等问题。而这些问题，都是典型的结构可靠性和热可靠性方面的问题。

2. PCB/封装的结构可靠性

如前所述，先进封装是5G芯片设备的关键技术，而日益增长的性能要求和严苛的使用环境，对先进封装的结构可靠性也提出了很大的挑战。典型的问题有如下几个方面，后面的分析也将在这几个方面展开。

PCB/封装在循环温度作用下的翘曲分层

PCB/封装在潮湿环境下吸湿膨胀（爆米花效应）

封装器件在振动冲击作用下失效等

封装焊球在温度循环下产生疲劳裂纹和失效

2. 1 PCB/封装在Flip Chip工艺+循环温度作用下的翘曲变形

在半导体行业，Flip Chip工艺广泛用于PCB/封装等器件连接，在此工艺下，封装就会有残余变形和应力的产生，也有塑性应变的存在。当PCB/封装连接后，还会对其进行相应的温度循环测试。使用Ansys Mechanical工具对整个流程进行仿真，可以了解Flip Chip工艺产生的塑性状态对后续温循仿真的影响。

对于PCB/封装仿真而言，想要得到准确仿真结果，PCB和封装的材料属性是关键。但对于PCB和封装的结构过于复杂，且特征尺寸小，如果按传统分网格的方法，网格量会巨大，操作起来也不现实；如果考虑计算效率，对每层PCB板赋予相同材料属性，那计算精度就会大打折扣。

那有没有一种既考虑精度又能兼顾效率的方法？

答案是肯定的！ “Trace Mapping” 正好可以解决PCB仿真的材料模型计算的难题。

所需试验设备：高低温循环试验箱

仿真模型和温度条件

通过SCDM导入EDA软件里建立的PCB板模型，考虑每一层每个位置的含铜率，计算每一层PCB每个位置的热物参数（各向异性），比如：密度、导热系数、热膨胀率、泊松比等。

然后通过trace import将计算的详细热物参数导入到Mechanical中，Map到多层矩形板上，Map后的矩形板虽然不具有原来PCB板的几何结构和特征，但是具有原来PCB板的详细热物参数。

因为进行热力计算时，影响热力仿真准确性的主要是PCB板自身的热物参数准确性，所以即使矩形板没有详细几何特征，也可以进行准确的热力计算。

使用Trace Mapping方法准确计算PCB各处的材料属性，再结合生死单元、子模型方法，就可以对Flip Chip+温循工艺进行多尺度精确分析，得到PCB/封装结构的受力和变形。

Layer7                                                               Dielectric                                             Metal

封装中金属和介质材料等效应力

本篇我们先对PCB/封装在循环温度作用下的翘曲分层进行了讨论，下一篇我们将对PCB/封装在潮湿环境下吸湿膨胀（爆米花效应）进行讨论，欢迎和瑞凯仪器继续探讨5G设备可靠性试验相关技术问题