什麼是可靠性物理學?

透過可見的失效模式，並記錄當下失效的原因，透過累積大量數據，找出失效模式與失效原因的規律。早期基於上述方法，應運而生的手冊，如MIL-HDBK-217、SN29500、IEC TR62380等表，可以讓使用者透過查表，簡單快速定義可靠度。

隨著半導體技術出現且飛速發展，又加上電子產品的複雜程度越來越高，這些方法已漸漸不敷使用，那勢必在可靠度這方面得向上提升，那就是可靠性物理的開展。

透過建立失效模型，並搭配實驗驗證該模型的合理性，才能真正做到可靠度預測。

SAE J3168 標準發布於2020年，旨在為AADHP(航空航天、汽車、國防和其他高性能)行業使用電氣、電子、機電設備、模塊和組件的可靠性物理分析。在AADHP行業中，這些失效後果十分嚴重，而且在使用壽命期間，設備始終在嚴苛的環境條件下運行，時間遠大於手機等電子設備。

透過SAE J3168使各用戶間在可靠性物理分析(RPA)形成共識。

Ansys Sherlock完全符合SAE J3168所規定之流程。

附圖是2023R1版本可以支援的分析項目，當中每個分析項目都有屬於他的失效模型，以Ansys Sherlock所列出的失效模型當中，有一部分是引用FEA分析(用Mechanical solver求解)的結果(黃色底色)，另一部分則以元件/封裝的類型、尺寸、材料…等參數套入失效模型，來為客戶進行可靠度預測。

本篇依據2017年所發表之論文，如圖。簡單說明Solder Fatigue 在溫度循環下的封裝QFN的失效模型。一般來說，要預測QFN封裝的熱機械疲勞分析，需要建立複雜的FEA分析模型，且準確性也會受到solder constitutive models影響。

本文不討論翹曲效應，因為重點是焊點的長期可靠性，而不是製造工藝參數的影響。

失效模型中，用到的各部位CTE值以圖做簡單的說明。

如圖，(a)代表QFN在低溫下的變形，(b)代表在高溫下的變形，受到各部位的CTE值數值不同，變形的方向也會不一樣，當中由於元件(Mold Compound)與PCB板(FR4)的CTE差異較大，造成變形的熱應力，大多得靠當中傳遞應力的Solder joint與Pad，協助吸收變形的差異。

在此失效模型當中，會考慮到CTE值與E值，並依據左圖五步驟得到失效預測數值。

下面的部分有QFN的封裝尺寸和材料特性，並利用2 參數的Weibull Characteristic life，進行預測壽命。

由於元件多屬塑膠化合物，其玻璃轉換溫度(Tg)前後的元件，材料特性都會不一樣，透過左1兩式進行修正CTE與E值，式(1)為CTE數值，式(2)為E值。

由於本文使用Pb-free SAC305作為焊錫材料。其相關參數如圖。

圖上，黑色線有兩次(First/Subsequent cycle)蠕變-應力鬆弛(significant creep and stress relaxation)，灰色線是First Cycle下的降階所求解到的應變能密度下面積，藍線則是Subsequent Cycle下的降階求得面積。
透過這樣的降階模型，並搭配修正係數，可快速得到結果。

在這篇的最後，也有提出驗證，在其他具指標的理論公式下預測的TTF值與實驗下的TTF值，可以發現大概都落在20%誤差值以內，這樣的結果在前期設計開發，相當具有參考性。