1.2.4 可靠性热设计方法

高密度微组装带来的热问题，体现在内装元器件及微组装互连材料的高温过应力失效和长期温度作用下的性能退化，通过热极限设计、热降额设计，可以有效控制热失效，延缓退化。

1.可靠性热设计相关标准

微组装组件可靠性热设计和内装元器件热降额要求参考的标准，包括中国国家军用标准（GJB）、美国军用标准（MIL）、欧洲空间标准化合作组织标准（ECSS）、电子器件技术协会标准（JEDEC）、国际电子工业联合协会标准（IPC），内容涉及可靠性热设计方法、热极限温度控制要求、热降额控制要求以及失效机理评估，产品对象从电子模块、元器件板级组装、集成电路封装到芯片。微组装可靠性热设计参考标准对比见表1-1。

2.可靠性热设计方法

微组装可靠性热设计包括热极限设计和热降额设计。热极限设计是针对产品在极端热环境下短期工作时，以保证产品功能和性能为指标的一种热设计方法，即所有内装元器件的工作温度均不能超过相应的绝对最大额定结温T_JM或绝对最大额定热点温度T_HSM：

T_J＜T_JM和T_HS＜T_HSM

热降额设计是针对产品在稳态热环境下长期工作，为延缓退化、保证产品在整个寿命周期可靠性要求的一种热设计方法。针对可靠性指标的不同，热降额设计又分为针对失效率λ的热降额设计和针对耗损寿命t的热降额设计，即内装元器件基本失效率之和不能大于设计值λ、短板失效机理退化时间必须大于设计寿命t：

支撑微组装可靠性热设计的关键技术包括器件结温、元件热点提取技术、可靠性评估技术和优化设计技术，通过器件结温、元件热点温度的提取，评价热极限特性和可靠性，通过评估不断迭代和优化设计。

微组装可靠性热设计方法流程框图如图1-27所示。

3.热极限设计

热极限设计是可靠性热设计核心内容之一。目的是通过热极限设计，使微组装组件在规定的最高壳温或最高环境温度下短期工作时，内装元器件的工作温度不超过各自规定的绝对最大额定结温T_JM和绝对最大额定热点温度T_HSM，微组装互连材料的工作温度不超过相应的极限温度。

1）热极限设计的需求

电子元器件（包括微组装组件）在整机系统中工作，总会遇到一些非正常的极端环境，如非常规的酷热天气、局部冷却系统故障等，因此元器件（包括微组装内装元器件）无法避免短时间内在极高温度环境下工作，这时无须考虑元器件的可靠性问题，但高温下性能和功能是否维持正常是热极限设计必须考虑的问题。

2）热极限事件概率的风险控制

即使整机系统中元器件的工作壳温或工作环境温度设定值不高，但由于环境温度的波动和整机异常热状态问题的存在，元器件的工作壳温或微环境温度长期会在一定范围内波动，器件结温甚至有超限的风险，必须控制器件结温超限问题。例如图1-28[10]，某集成电路在额定功率下长期工作的设定结温T₀=55℃，绝对最大额定结温T_JM=120℃，长期工作中，由于整机工作环境温度变化、整机工作或非工作状态以及极端高温事件的影响，集成电路工作结温在一定范围内波动，工作结温分布概率为正态分布函数，平均工作结温T₀=55℃，结温波动范围±3σ=±45℃。由图1-28可知，集成电路在结温T_J=55℃的工作状态是大概率事件，结温T_J=100℃的工作状态是小概率事件，假设集成电路99.8%的工作时间落在结温55℃+3σ=100℃温度以下范围，则仍有0.2%的工作时间结温超过100℃，虽然超出最大额定结温值120℃的事件概率非常小，但在实际设计和应用中仍需要根据风险量化控制的需求，通过热极限设计合理控制集成电路的设定结温。

4.热降额设计

可靠性热设计的另一核心是热降额设计。目的是通过热降额设计，使内装元器件和微组装互连材料的工作温度不超过降额温度上限，延缓内装元器件和微组装互连材料的退化，满足微组装组件失效率和寿命设计要求。

1）热降额设计的需求

电子元器件（包括微组装组件）在整机系统中工作，发生偶然失效、材料老化和性能退化是不可避免的问题，为了降低元器件偶然失效发生的概率，延缓性能参数的退化，确保长期工作的可靠性，对整机所用元器件和材料进行温度降额控制是必要的手段。与整机降额设计的概念一样，微组装组件的降额设计也是针对内装元器件的降额使用设计，同时还包括微组装互连材料的温度降额使用。内装元器件的降额，有功率、电压、电流和温度的降额，通过降额使用，使元器件实际承受的应力大大低于额定值，保证微组装组件的长期可靠性[35]。

2）随机失效与耗损失效

微组装组件热降额设计的目的有两个：一是内装元器件随机失效率指标的控制；二是内装元器件和微组装互连材料耗损寿命的控制。电子元器件失效率浴盆曲线如图1-29所示。热降额设计关注的是浴盆曲线中随机失效阶段（Ⅱ）和耗损失效阶段（Ⅲ）。

随机失效阶段即有效工作寿命期的失效，用失效率描述。在此期间，元器件的随机失效由三种独立因素引起的失效构成：未能筛除的工艺质量微缺陷导致的失效、材料和尺寸离散性引起的边缘值耗损失效、环境过应力偶发因素包括人为差错造成的失效，由于随机失效发生的概率随温度的升高而增大，因此可以通过降低元器件工作温度控制微组装组件的失效率。

耗损失效阶段即耗损寿命终了期的失效，用耗损寿命描述。在此期间，元器件的失效由耗损类失效主导：元器件性能退化、材料老化，并且温度越高元器件退化和材料老化的速率越快，耗损寿命就越短，因此内装元器件、微组装互连材料薄弱环节的退化性失效机理是微组装组件的“寿命短板”问题，需要通过热降额设计延缓退化，使内装元器件和微组装材料的耗损寿命大于组件产品的设计寿命。

3）热降额后的浴盆曲线

元器件基本失效率决定于所承受的温度应力和电应力，若失效率为指数分布，则视为恒定失效率，与时间无关，λ（t）=λ，如图1-30所示。在额定温度以下工作，元器件失效率λ明显下降，有效工作寿命期延长；在额定温度以上工作，元器件失效率λ大幅上升，有效工作寿命期大大缩短。

4）温度余量与耗损寿命

在温度应力是主应力时，元器件的耗损寿命取决于温度裕量，所承受的温度应力与自身耐温强度的裕量（ΔT=T_JM-T_J）如图1-31所示。环境温度的波动，使承受的温度应力水平呈分布曲线；批量元器件质量的离散性，使其耐温强度也呈强弱分布曲线；元器件在温度应力作用下随时间退化，一旦应力/强度曲线发生交叠，即发生热耗损失效，元器件耗损寿命终了，如图中交叠阴影部分。由图中示意，在元器件工作时间到达t_i时，“不降额”与“热降额”相比，由于温度裕量ΔT的不同，“不降额”的耗损寿命终了，“热降额”仍有剩余寿命。