(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211198807.1 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 陈颖　张健安　康锐　 (74)专利代理 机构 北京孚睿湾知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11474 专利代理师 韩燕 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 113/18(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于有限元仿真的SiP芯片封装分层 寿命预 测方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于有限元仿真的SiP芯 片封装分层寿命预测方法， 其包括： 提出SiP芯片 封装分层故障物理模型； 确定SiP芯片中发生封 装分层的不同部位； 使用解析法预测SiP芯片部 分部位封装分层预测寿命； 使用虚拟裂纹闭合法 预测SiP芯片部分部位封装分层预测寿命。 本发 明在Paris公式的基础上结合实际应用场景提出 了使用裂纹扩展能量释放率代替应力强度因子 的SiP芯片封装分层故障物理模型， 相比较传统 的Pairs公式增加了应用范围， 能更好地对发生 在不同材料间的封装分层进行寿命 预测， 在使用 虚拟裂纹闭合法预测寿命时， 考虑了SiP芯片回 流焊工艺过程带来的影响， 使得结果更加准确。 权利要求书3页 说明书20页 附图6页 CN 115455786 A 2022.12.09 CN 115455786 A 1.一种基于有限元仿真的SiP芯片封装分层寿命预测方法， 其特征在于， 其包括以下步 骤： S1、 使用解析法对SiP芯片使用过程中的封装分层寿命进行 预测； S11、 确定研究对象与SiP芯片中各 元器件封装材 料与封装形式； S12、 在Paris公式的基础上， 使用裂纹在每次循环载荷作用下的能量释放率之差ΔG ( α )来替换应力强度因子ΔK， 建立基于Par is模型的SiP芯片封装疲劳分层 寿命模型如下所 示： 其中， Nf为SiP芯片封装 疲劳分层寿命， C为Paris常数， a为裂纹长度， da为裂纹长度的微 分， ai和ac分别为初始裂纹长度与临界裂纹长度； S13、 将SiP 芯片封装分层故障物理模型进行推导化简， 得到一个输入参数为温度， 输出 为循环寿命的寿命预测函数； S14、 将SiP芯片模组置 于温度试验剖面进行温度循环仿真， 得到相应的温度参数； S15、 将步骤S15得到的温度参数代入化简， 使用得到的寿命预测函数进行寿命预测； S2、 对回流焊工艺过程进行有限元仿真； S21、 对SiP芯片进行温度循环下弹性力学仿真， 确定在回流焊工艺过程中发生热应变 较大的部位； S22、 对SiP芯片进行湿气扩散 仿真， 确定湿度较大的部位； S23、 结合热应变分布图与相对湿度分布云图确定SiP所有内部器件与PCB板接触面之 间较为薄弱的部位作为后续使用虚拟裂纹闭合法进行弹塑性力学仿真的具体有限元仿真 对象； S3、 使用虚拟裂纹闭合法对SiP芯片在回流焊过程中的封装分层寿命进行 预测； S31、 确定有限元三维结构模型的组成部分和封装形式， 包括在 静力学模块中施加温度 循环载荷所需的外加空气层、 取消多余结构和在接触面边缘人为增加初始裂纹， 确定SiP芯 片模型中不同部位网格划分方式， 包括 考虑虚拟裂纹闭合法所需的网格条件； S32、 确定SiP芯片模型的结构施加的边界条件， 所述边界条件包括接触面各参数与算 法的设置； S33、 确定温度载荷， 即温度循环剖面； S34、 将选定的薄弱接触界面的材料设为弹塑性材料并对温度载荷下确定的薄弱接触 界面进行弹 塑性力学仿真； S35、 在有限元仿真结果中提取裂尖处与裂尖后端节点坐标， 得到虚拟裂纹闭合法中所 需的节点位移与裂纹扩展面积， 输入命令流来提取刚度矩阵同节点位移共同得出虚拟裂纹 闭合法中所需的节点作用力； S36、 取得裂尖处与裂尖后端节点的单次循环平均位移、 裂纹尖端节点作用力以及单次 循环间裂纹扩展面积； S37、 将步骤S36获得的裂尖后端节点位移、 裂尖处节点作用力和单次循环间裂纹扩展 面积代入虚拟裂纹闭合法公式进行计算得到裂纹扩展能量释放 率；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115455786 A 2S38、 将获得的各薄弱部位的裂纹扩展能量释放率代入SiP故障物 理模型计算得到各薄 弱部位封装分层预测寿命。 2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的SiP芯片封装分层寿命预测方法， 其特征在 于， 步骤S12中的SiP芯片封装分层故障物理模型在原始Paris公式的基础上获得， 原始 Paris公式为： dN/da＝(ΔK)m                              (2) 其中， N为循环次数， ΔK为应力强度因子， m为 一个和材 料有关的固定常数。 3.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的SiP芯片封装分层寿命预测方法， 其特征在 于， 虚拟裂纹闭合法在有限元仿真中的具体实现方式如下： 裂纹前缘处的网格采用6面体单元的划分方法， 当有限元网格采用8节点6面体单元时， 节点Li为裂纹尖端， 节点Ll和 为裂纹面上位于裂尖后端的节点， 它们的初始坐标相同； 由 于导致封装分层的裂纹为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ复合型裂纹， Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和 Ⅲ型裂纹扩展 能量释 放率GⅠ， GⅡ， GⅢ的计算公式如下： ΔG(a)＝GⅠ+GⅡ+GⅢ                           (4) 其中， 分别为裂纹尖端节点Li 3个方向的节点作用力： 分 别为节点Ll3个方向的位移； 分别为节点 个方向的位移， ΔA为单次温度循 环间裂纹扩展面积， ΔG(a)为单词温度循环间裂纹扩展能量释放 率。 4.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的SiP芯片封装分层寿命预测方法， 其特征在 于， 步骤S14中的循环寿命的寿命预测函数推导过程如下： 对于双材 料体有： 其中， P为载荷， B为双材 料体宽度， D为扩散系数， 且有： 式中， tj为材料j的厚度， Ej为材料j的弹性模量， vj为材料j的泊松比， E'j和Dj分别为与 材料弹性模量和泊松比相关的材 料特征参数； 对于温度循环载荷下， 双材 料体界面热应力σ 的计算公式如下： 其中，权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115455786 A 3