[Sherlock]材料表徵在電子模擬中的重要性

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發佈日期 2020-04-28


[Sherlock]材料表徵在電子模擬中的重要性

下一代技術(尤其是在電氣化、自主性和5G方面)的競爭格局需要快速進入市場的策略。

結果,汽車,航空航天和國防等產業急於確保產品和設備早日投放市場,同時又面臨著新的及更嚴格的可靠性和保修標準。

隨著對電子產品的需求增加,公司變得越來越有必要加快其產品設計優化進程。

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潛在的解決方案是模擬,它可以在初期設計過程對產品進行虛擬建模和測試,來確定理想的配置和潛在的故障風險。這可以防止在產品開發的後期進行昂貴的重新設計,並使製造更快、更可靠。

實施全面模擬工作流程的最大挑戰之一是供應商和客戶之間缺乏共享數據。這通常是由於知識產權問題或過度聚焦在創建銷售電子產品所必需的最小可行產品(MVP)數據表所引起的。

缺乏溝通會扼殺模擬過程並引起誤解,可能導致不必要的延誤或重大的保修索賠。


數據表的問題

數據表是由供應商提供的文件,概述了組件在各種條件下的預期運作方式。然而,數據表並不總是提供特定參數和使用環境所需的資訊。例如,某些購買者需要某些機械、電氣和可靠性材料屬性,而該屬性通常是文件中所沒有的。如果客戶無法獲得這些屬性,則可能需要從材料表徵來取得創建準確的模擬結果所需的數據。


如何執行電子元件的材料表徵


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電子元件通常有三種主要的材料表徵過程:

  1. 機械表徵
  2. 電氣表徵
  3. 可靠性表徵


機械材料表徵


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機械表徵的主要驅動力是防止由於溫度或機械負載(例如振動、衝擊或彎曲)變化而引起的意外產品故障。這種需求在汽車產業尤其普遍,若設計驗證(DV)期間故障會使產品延遲發布。

為了避免此類故障,汽車一級供應商等客戶希望零件製造商完成並通過JEDEC的所有測試標準,JEDEC是開發微電子行業開放標準的全球領導者。不幸的是,在外殼或外殼與印刷電路板(PCB)相互作用的複雜系統中,這些測試並未獲得焊料疲勞風險。有助於解決這些問題的三方面機械表徵方法包括:

  1. 3D X射線
  2. 數位影像關聯(DIC
  3. 解封裝/解構


3D X射線

3D X射線是一種獲得數據表中未提供的內部幾何形狀的工具。通常,數據表中包含的尺寸基於外部視角(例如高度、長度、寬度和引線數量)。然而,僅描述組件的外部屬性可能會導致模擬和製造錯誤。例如,從外部圖像來看,工程師可能不知道設備中有兩個晶片而不是一個。在進行模擬時,此資訊扮演著關鍵性的角色。

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數位影像關聯(DIC

DIC是一種非接觸式光學方法,可透過對圖案特徵的立體追蹤來測量物體表面的變形。利用變形信息,DIC可以確定平面內(XY軸)和平面外(Z軸)內的膨脹和收縮隨溫度的變化。在評估組件或組件內焊料疲勞的風險時,此行為可能具關鍵性。

為了執行此過程,立體攝像機通過切入熱室的窗口記錄組件的圖像。這些圖像沿任何軸分解為變形。然後,用戶可以計算任何方向(包括沿對角線)的熱膨脹係數(CTE)。CTE的大小及其在電子零件和PCB之間的相對差異,將對焊料疲勞風險和產品的整個生命週期產生巨大影響。

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解封裝/解構

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解封裝或解構是一種能夠檢查組件內部元素(如管芯、互連和其他特徵)的技術。它們還表徵了構成電子組件的各個材料(包括其密封劑、基板和管芯連接件)。

例如,當針對焊料疲勞表徵球柵陣列(BGA)時,重要的材料屬性是管芯附著材料的模量。模數越低,管芯與封裝的分離就越多,並且對焊料疲勞性能的影響也就越小。由於管芯附著是內部特徵,因此有必要進行解封裝和解構操作以暴露其材料。然後可以使用納米壓痕來精確地測量模量隨溫度的變化。了解這些材料屬性可提供必要的信息,來創建準確的模擬。


電氣材料表徵

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電氣表徵提供有關電子組件的重要參數信息(包括其電氣性能和故障行為)。OEM等客戶通常在以下情況下需要進行電氣表徵:

1. 需要針對以下方面模擬產品的行為和生存能力:

2. 數據表中缺少關鍵的參數行為


3. 有必要知道如果電壓或溫度超出規範會發生什麼

例如,可以使用多種方法來表徵電性能,來進行準確的EMIEMC模擬。例如,相對簡單的電氣材料表徵包括使用EMI掃描儀獲得電路板級的無源行為,例如共振、平面阻抗和環路電感。 

為了獲得更高的模擬保真度,電氣材料表徵將涉及獲取依賴於驅動器模型的瞬態信號(例如輸入/輸出緩衝區信息[IBIS]模型或具有集成電路重點[SPICE]模型的模擬程序)。

最高階的模擬成果需要電氣材料表徵能夠複製完整的EMC環境,包括消聲室、吸收器元件和天線。


可靠性材料表徵

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數據表中經常缺少可靠性,因為它是特定於應用程序的。為了補充這些丟失的數據,可以在產品進入原型之前使用加速壽命測試(ALT)來回答可靠性和故障風險問題。

具體地說,ALT分析了產品或組件在整個生命週期內將面臨的壓力(例如溫度變化、衝擊和振動)下如何運行,但其速率要比在現場快得多。ALT可以指示失敗率,風險因素和設計缺陷。透過可靠性表徵,該產品可以放心地投入使用,並確信它可以在預期的應用和設計壽命中保存下來。

ALT的結果也可以用於對模擬和建模結果進行基準測試。這增強了組織對這些早期工作成果的信心,並為實現模擬驅動的工程和驗證鋪平了道路。

電子元件的表徵對於電子產品的設計和製造成功具關鍵性。但是,電子元件的相關屬性並不總是包含在數據表中,這意味著適當的零件表徵需要額外的資源。了解所需的特性後,可以驗證電子元件的特性、模擬故障風險並可避免開發後期重新設計,這導致更快的上市時間和成本效益。


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資料來源:https://www.ansys.com/blog/material-characterization-electronic-simulation

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