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RF MLCC环境应力影响及其可靠性的仿真研究

作　者: 付兴中
导　师: 荣丽梅
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 射频多层陶瓷电容器环境应力可靠性有限元
分类号: TN606
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

RF MLCC广泛应用于各种整机射频电路中。因为在产品技术、工艺水平和可靠性研究等方面同国外相比有一定差距,目前国内还没有批量生产和供货,国内产品主要来源于进口,但是对于高端的军用产品在国际市场上对国内禁运,因此分析相应的失效机理,进行可靠性研究不仅必要而且紧迫。环境应力是影响RF MLCC可靠性的一个重要方面。本文首先分析了电子元器件环境应力与其失效的关系,阐述了MLCC可靠性研究的常用方法,然后应用数值方法仿真温度和频率两个因素对RF MLCC失效的影响,并提出提高其可靠性的方法。相比于实物实验法,数值计算法研发成本低,时间短,并能满足计算精度的要求,实物实验法很难测量热冲击时的热应力值。本次仿真主要包括温度冲击和频率特性分析实验,并分析内电极结构、银电极厚度和材料参数对RF MLCC可靠性的影响。为仿真RF MLCC的热应力分布,本文采用有限元方法,首先建立有限元理论模型,设计仿真方案,然后模拟不同内电极结构、不同端电极厚度和不同介质材料参数的RF MLCC在热冲击时的热应力分布。本次仿真结合了自由划分和映射划分,并且多次局部细化网格,消除了畸形网格,使得各次仿真的能量准则百分比误差均小于2%。仿真结果显示出热应力下RF MLCC的薄弱环节,以及热循环次数、内电极结构、银电极厚度和介质材料参数对于RF MLCC所受热应力的影响。应用Ansoft HFSS软件,建立RF MLCC五种三维实体模型,分析RF MLCC在其工作频率范围内的频率特性,对比悬浮内电极结构和正常内电极结构RFMLCC的频率特性,分析银电极厚度在10 20微米范围内变化时,RF MLCC频率特性的变化趋势,分析模拟结果得出:使用悬浮内电极结构使RF MLCC在很宽的频率范围内回波损耗S11小于20 dB,当频率大于1GHz时,插入损耗S12趋近于4dB,特性阻抗Z11、Z12分别趋近5dB和0dB,频率特性远好于正常内电极结构;当RF MLCC银电极厚度由10μm增加到20μm,RF MLCC频率特性在关心的频率范围内基本不变。本文是关于RF MLCC环境应力及其可靠性的仿真研究,本文所做工作为提高RF MLCC的可靠性和优化其设计提出了理论依据,具有重要的理论和现实意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-16
  1.1 研究背景及意义  10-12
    1.1.1 RF MLCC 应用背景  10-11
    1.1.2 选题依据  11-12
  1.2 国内外研究现状和发展态势  12-15
  1.3 主要工作及论文的组织结构  15-16
第二章电子元器件失效机理及其研究方法  16-24
  2.1 电子元器件失效模式与失效机理  16-17
  2.2 电子元器件失效与环境应力  17-19
    2.2.1 失效的定量判据  17-18
    2.2.2 环境应力与失效  18-19
  2.3 MLCC 失效机理  19-21
    2.3.1 RF MLCC 简介  19-20
    2.3.2 MLCC 失效机制  20-21
  2.4 MLCC 失效分析方法  21-24
    2.4.1 MLCC 失效分析的实物实验方法  21-22
    2.4.2 电子元器件失效分析的其他方法  22-24
第三章 RF MLCC 热结构耦合有限元仿真  24-34
  3.1 热应力产生机制  24
  3.2 有限元方法及建模  24-28
    3.2.1 有限元方法简介  24-25
    3.2.2 建立有限元模型  25-28
  3.3 ANSYS 简介  28-29
  3.4 实验方案设计  29-33
    3.4.1 问题描述及难点  29-30
    3.4.2 仿真方案及主要问题的解决方法  30-33
  3.5 小结  33-34
第四章热结构模拟结果及分析  34-52
  4.1 RF MLCC 温度场模拟结果  34-35
  4.2 RF MLCC 热应力分布  35-40
    4.2.1 仿真结果分析  35-40
    4.2.2 仿真误差分析  40
  4.3 内电极结构对RF MLCC 热应力分布的影响  40-43
    4.3.1 X、Y 方向热应力对比  40-41
    4.3.2 von mises 热应力对比  41-43
  4.4 不同银电极厚度RF MLCC 热应力分布的对比  43-47
    4.4.1 X、Y 方向热应力对比  43-44
    4.4.2 von mises 热应力对比  44-47
  4.5 介质材料特性对RF MLCC 热应力分布的影响  47-50
    4.5.1 非线性热分析的有限元方程  47-48
    4.5.2 仿真方法及步骤  48-49
    4.5.3 仿真结果分析  49-50
  4.6 小结  50-52
第五章 RF MLCC 频率特性分析  52-65
  5.1 理论基础及理论建模  52-57
    5.1.1 归一化S 参数建模  52-53
    5.1.2 特性阻抗建模  53-55
    5.1.3 阻抗乘法器  55
    5.1.4 S 矩阵和Z 矩阵模型  55-57
  5.2 实体建模及求解  57-59
    5.2.1 关键问题分析  57
    5.2.2 仿真方案及主要问题的解决方法  57-59
  5.3 仿真结果分析  59-61
  5.4 内电极结构对于频率特性的影响  61-62
  5.5 银电极厚度对于频率特性的影响  62-64
  5.6 小结  64-65
第六章结论  65-67
  6.1 本文总结  65-67
致谢  67-68
参考文献  68-71
攻硕期间发表的论文  71-72

RF MLCC环境应力影响及其可靠性的仿真研究

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