本發(fā)明涉及微波互聯(lián)，具體涉及一種面向引線鍵合熱疲勞壽命與電性能的多目標(biāo)預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，要求電子裝備不斷向輕量化、小型化和高性能的方向發(fā)展，尤其是有源相控陣?yán)走_(dá)，因其特殊的工作環(huán)境，需要使用體積小、質(zhì)量輕、高性能和高可靠性的微波組件。在傳統(tǒng)的高密度微波組件中，常采用引線鍵合來實現(xiàn)芯片、電子元器件和微波傳輸線的互連。為滿足微波組件高密度、高工作頻率、高可靠性、小型化等需求，需要不斷提高引線鍵合的導(dǎo)電性與可靠性。引線結(jié)構(gòu)是影響微波組件電氣性能與可靠性的主要因素，引線的直徑、拱高、兩引腳位置、平臺長度等參數(shù)均對微波組件的熱可靠性和微波傳輸有很大影響。

2、引線鍵合封裝在實際工程中具有廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外研究主要從三個方面展開，一個是針對引線鍵合封裝的制造工藝以及工藝參數(shù)，研究引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性問題；一個是針對引線鍵合的物性結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)在溫度、振動等不同服役環(huán)境下的可靠性問題；一個是針對互聯(lián)引線在電路中導(dǎo)致的信號完整性問題，主要借助軟件仿真工具來對其性能進(jìn)行評判，判斷其性能往往需要花費較多的時間建立互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型、進(jìn)行軟件仿真，且由于預(yù)測效果單一，最終往往無法綜合考慮服役環(huán)境與電性能的影響，給出具體的調(diào)控指導(dǎo)意見參考。這些問題是提高工程實踐中對引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)性能預(yù)測與調(diào)控的最大障礙，限制了引線鍵合封裝的發(fā)展。

3、上述問題亟待解決，為此，本發(fā)明提供了一種面向引線鍵合熱疲勞壽命與電性能的多目標(biāo)預(yù)測方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于：如何解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，實現(xiàn)引線鍵合熱疲勞壽命與電性能的多目標(biāo)預(yù)測，提供了一種面向引線鍵合熱疲勞壽命與電性能的多目標(biāo)預(yù)測方法，可用于對引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行精確參數(shù)化表征，快速實現(xiàn)引線鍵合熱疲勞壽命與電性能的多目標(biāo)預(yù)測，指導(dǎo)引線鍵合封裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的，本發(fā)明包括以下步驟：

3、步驟一：根據(jù)高頻微波組件中互聯(lián)的具體要求，確定引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)與物性參數(shù)；

4、步驟二：對微波組件中各互聯(lián)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化表征，獲取引線鍵合形態(tài)的數(shù)學(xué)描述；

5、步驟三：根據(jù)確定的微波組件中引線鍵合互聯(lián)幾何參數(shù)、物性參數(shù)與參數(shù)化表征，分別建立引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)熱分析模型與結(jié)構(gòu)-電磁分析模型；

6、步驟四：根據(jù)微波組件中調(diào)控因素與溫度循環(huán)可靠性以及電磁傳輸性能指標(biāo)，設(shè)計引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與溫度循環(huán)可靠性和電磁傳輸性能的全面實驗，獲取各實驗項在熱仿真過程中引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力、應(yīng)變變化范圍以及電磁仿真得到的引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗；

7、步驟五：根據(jù)全面實驗數(shù)據(jù)建立基于cnn卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與溫度循環(huán)可靠性指標(biāo)、電磁傳輸性能指標(biāo)的映射關(guān)系模型，并完成引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)電磁傳輸性能預(yù)測；

8、步驟六：建立熱疲勞壽命預(yù)測模型，基于步驟五得到引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與溫度循環(huán)可靠性指標(biāo)的映射關(guān)系模型完成引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)熱疲勞壽命預(yù)測。

9、更進(jìn)一步的，在所述步驟一中，確定引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)包括引線直徑d、拱高h(yuǎn)1、引線跨距l(xiāng)、平臺長度xl、焊盤直徑d1、焊盤高度h3、芯片長度l1、芯片寬度w1、芯片高度h2、介質(zhì)基板長度l2、介質(zhì)基板寬度w2、介質(zhì)基板高度h4；確定引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的物性參數(shù)包括信號傳輸頻率f，各組件的介電常數(shù)εg、損耗角正切θg、密度dg、彈性模量eg、泊松比λg、熱膨脹系數(shù)αg，以及引線的抗拉強(qiáng)度σb、斷面收縮率ψ。

10、更進(jìn)一步的，在所述步驟二中，具體處理過程如下：

11、步驟2a：通過公式f(x)＝y(tǒng)獲取引線鍵合第一段形態(tài)的數(shù)學(xué)描述，其中，x表示引線第一段在x軸方向的位置，x＝0，y表示引線第一段在y軸方向的位置，y∈[h2+h3,h1+h2+h3]；

12、步驟2b：通過公式f(x)＝h1+h2+h3獲取引線鍵合第二段形態(tài)的數(shù)學(xué)描述，其中，x的范圍為[0,xl]；

13、步驟(2c)：通過公式獲取引線鍵合第三段形態(tài)的數(shù)學(xué)描述，其中，x的范圍為[xl,l]。

14、更進(jìn)一步的，在所述步驟三中，具體處理過程如下：

15、步驟3a：根據(jù)步驟一確定的幾何參數(shù)和物性參數(shù)，以及步驟二中對引線鍵合的參數(shù)化表征，在ansys?apdl軟件中建立引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)熱分析模型；

16、步驟3b：根據(jù)步驟一確定的幾何參數(shù)和物性參數(shù)，以及步驟二中對引線鍵合的參數(shù)化表征，在全波三維電磁波仿真軟件中建立引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)-電磁分析模型。

17、更進(jìn)一步的，在所述步驟四中，具體處理過程如下：

18、步驟4a：根據(jù)引線鍵合互聯(lián)形態(tài)，將引線直徑d、拱高h(yuǎn)1、引線跨距l(xiāng)以及平臺長度xl作為引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的調(diào)控因素；

19、步驟4b：確定引線鍵合互聯(lián)的4個調(diào)控因素范圍為：引線直徑d∈[dmin,dmax]、引線拱高h(yuǎn)1∈[hmin,hmax]、引線跨距l(xiāng)∈[lmin,lmax]、引線平臺長度xl∈[xlmin,xlmax]，其中，()min表示某調(diào)控因素的最小值，()max表示某調(diào)控因素的最大值；

20、步驟4c：采用拉丁超立方均勻采樣方法在4個調(diào)控因素的變化范圍內(nèi)抽取n個采樣點，獲得n組引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，n為正整數(shù)；

21、步驟4d：將熱仿真過程中引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力與應(yīng)變變化范圍作為溫度循環(huán)可靠性指標(biāo)，將插入損耗作為電磁傳輸性能指標(biāo)；

22、步驟4e：以拉丁超立方采樣獲取的n組數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)輸入到ansys?apdl軟件，進(jìn)行引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與溫度循環(huán)可靠性的全面實驗，獲取熱仿真過程中引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力與應(yīng)變變化范圍；

23、步驟4f：以拉丁超立方采樣獲取的n組數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)輸入到全波三維電磁波仿真軟件，進(jìn)行引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與電磁傳輸性能的全面實驗，獲取插入損耗。

24、更進(jìn)一步的，在所述步驟五中，具體處理過程如下：

25、步驟5a：將所獲得的引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與熱分析模型、結(jié)構(gòu)-電磁分析模型的全面實驗數(shù)據(jù)隨機(jī)排列，并將前90％的數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練組，其余10％的數(shù)據(jù)劃分為測試組；

26、步驟5b：將所獲得的引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與熱分析模型、結(jié)構(gòu)-電磁分析模型的全面實驗數(shù)據(jù)中引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的4個調(diào)控因素，引線直徑d、拱高h(yuǎn)1、引線跨距l(xiāng)以及平臺長度xl，作為cnn卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射關(guān)系模型的輸入，引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力、引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化范圍和引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗作為輸出；

27、步驟5c：使用公式對輸入與輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)限制在[0,1]之間，消除各參數(shù)量綱的影響，其中，x標(biāo)準(zhǔn)表示某項實驗數(shù)據(jù)歸一化后的值，x表示某項實驗數(shù)據(jù)的實際值，xmax表示某項實驗數(shù)據(jù)范圍的最大值，xmin表示某項實驗數(shù)據(jù)范圍的最小值；

28、步驟5d：建立4個輸入、3個輸出的cnn卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、卷積層、激活層、最大池化層、全連接層和回歸層，其中，激活層選擇數(shù)學(xué)表達(dá)式為f(x)＝max(0,x)的relu激活函數(shù)；

29、步驟5e：將各項實驗數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，并使用sgdm梯度下降法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練；

30、步驟5f：對輸出的預(yù)測值進(jìn)行反歸一化處理并保存模型，建立引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力、引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化范圍、引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗的映射關(guān)系，模型關(guān)系如下所示：

31、σm＝y(tǒng)1(d,h1,l,xl)

32、δε＝y(tǒng)2(d,h1,l,xl)

33、s21＝y(tǒng)3(d,h1,l,xl)

34、其中，σm為預(yù)測得到的引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力，δε為預(yù)測得到引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化范圍，s21為預(yù)測得到的引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗，y1為4個調(diào)控因素到引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力的映射關(guān)系，y2為4個調(diào)控因素到引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化范圍的映射關(guān)系，y3為4個調(diào)控因素到引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗的映射關(guān)系，即可通過映射關(guān)系y3對引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的電磁傳輸性能進(jìn)行預(yù)測。

35、更進(jìn)一步的，在所述步驟六中，具體處理過程如下：

36、步驟6a：引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱疲勞壽命從結(jié)溫波動、塑性應(yīng)變和彈性形變?nèi)矫孢M(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而建立熱疲勞壽命預(yù)測模型，計算公式如下：

37、

38、其中，δε為應(yīng)變變化范圍，σ'r為材料疲勞強(qiáng)度系數(shù)，σm為一個循環(huán)周期內(nèi)的平均應(yīng)力，nf為失效循環(huán)次數(shù)，即熱疲勞壽命，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，εr'為疲勞延性系數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，e為彈性模量；

39、步驟6b：確定材料疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞強(qiáng)度指數(shù)、疲勞延性系數(shù)和疲勞延性指數(shù)的計算公式如下：

40、b＝-0.12

41、c＝-0.6

42、σ'r＝3.5σr

43、

44、其中，σr為斷裂強(qiáng)度系數(shù)，εr為斷裂延性系數(shù)；

45、斷裂強(qiáng)度系數(shù)與斷裂延性系數(shù)的計算公式如下所示：

46、σr＝σb?ln(1+ψ)

47、εr＝-ln(1-ψ)

48、其中，σb為抗拉強(qiáng)度，ψ為斷面收縮率；

49、步驟6c：將步驟6b中的各參數(shù)計算公式帶入到步驟6a中的熱疲勞壽命預(yù)測模型計算公式中，得到：

50、

51、步驟6d：將通過對應(yīng)的映射關(guān)系模型預(yù)測得到的鍵合引線互聯(lián)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力與應(yīng)變變化范圍代入熱疲勞壽命預(yù)測模型的計算公式，即可計算得到預(yù)測的引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱疲勞壽命。

52、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：

53、1、本發(fā)明使用ansys?apdl軟件和全波三維電磁波仿真軟件分別建立了引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)熱分析與結(jié)構(gòu)-電磁分析的精準(zhǔn)參數(shù)化模型，設(shè)計引線鍵合互聯(lián)形態(tài)參數(shù)與溫度循環(huán)可靠性和電性能的全面實驗，得到引線鍵合封裝在服役環(huán)境下可靠性指標(biāo)、電磁傳輸性能指標(biāo)，基于cnn卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)到溫度循環(huán)可靠性指標(biāo)、電磁傳輸性能指標(biāo)的多目標(biāo)預(yù)測模型，可用于研究引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其可靠性與信號傳輸性能的影響，解決了目前無法基于引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)，快速進(jìn)行精確參數(shù)化建模、同時準(zhǔn)確預(yù)測引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)溫度循環(huán)可靠性與電磁傳輸性能的問題。

54、2、通過建立的基于cnn卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)到溫度循環(huán)可靠性指標(biāo)、電磁傳輸性能指標(biāo)的多目標(biāo)預(yù)測模型，可以快速、準(zhǔn)確得到引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)到溫度循環(huán)可靠性與電磁傳輸性能的映射關(guān)系，可以用于判斷引線鍵合互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性及其對可靠性、電磁傳輸性能的影響。