资源封装

资源封装（精选7篇）

资源封装 篇1

0引言

汉语国际教育数据库建设是一种技术运作,其意义重大。目前教育资源的组织和封装已有一定规范,但缺少专门针对汉语言文化资源的组织和封装规范,从技术层面进行的探讨亦较为匮乏。本文在《学习对象元数据标准》、《教育资源建设规范》的基础上进行研究,尝试提出汉语言文化资源组织和封装体系,以推进汉语国际教育数据库建设,从而不断完善汉语国际教育资源。

1汉语言文化资源的组织

汉语言文化资源组织的前提是标准化描述。标准化描述指对原本并不规则的小粒度学习资源(资源素材),经过标准化描述,使之具备统一的外在特征数据格式(元数据结构),而不影响其内在内容的多样性,从而把原本具有外在不规则特征的学习资源转换成一系列在外在元数据表现特征上呈现出一致性的学习资源内容对象。

资源组织由两个主要元素组成:一个特定的内容清单文件和若干物理文件。内容清单描述了包中的学习资源以及这些资源是如何组织的。物理文件是一些实际的媒体元素,文本文件,图像或其他资源,存放在内容清单中描述的各子目录下。

内容清单是对有意义的教学资源的描述,描述了包自身,也可以包括可选的子内容清单。

每一个内容清单实例包含以下几部分:

元数据部分 - 对内容清单作整体描述。

组织结构部分 ? 描述了在内容清单中内容的一个或多个组织结构。

资源部分 - 包含了对所有实际资源和内容清单中所需媒体元素的引用,还包括描述资源的元数据和对任何外部文件的引用。

子内容清单零个或多个嵌套的内容清单。

物理文件指媒体文件、文本文件、测评文件(assessment objects)和其他以文件形式存在的数据。不像包,它不能独立发布。每个物理资源或者在内容清单的资源元素中描述或者在资源依赖的文件列表中列出。在内容清单中描述的物理文件和内容清单文件一样是包不可或缺的组成部分。

1.1组织类别代码

不同类别的代码组织应采用不同的代码:文本资源(Text)使用代码T;图片/ 图像资源(Image)使用代码P;音频资源(Audio)使用代码A ;视频资源(Video)使用代码V;动画资源(Flash)使用代码N;试题(Item)使用代码I;试卷(Exam paper)使用代码E;课件与网络课件 (Coursewareand network courseware) 使用代码W;案例(Case) 使用代码C; 文献 (Literature) 使用代码L;常见问题解答(FAQ) 使用代码F;资源目录索引(Data indexes) 使用代码R;网络课程(Online course) 使用代码U。

1.2组织通用格式

各种不同类别资源的组织应采用通用格式。如文本可以使用text/txt, text/html, text/plain , text/sgml, text/xml, text/rtf等格式,素材中字符的数目以半角符为准。图片 / 图像、视频、音频、动画、综合多种媒体、应用等也应相应地按规定的格式进行组织。

1.3组织技术要求

各类资源组织的技术都应遵照相应的标准,如媒体素材的文本素材的汉字格式、英文字母和符号的编码存储都应遵照规定的标准;图形 / 图像素材中的彩色图像和灰色图像都应遵照相应的度数,扫描图像的扫描分辨率也有相关的规定;音频素材中的数字化音频的采样频率、量化位数、声道数、存储格式、使用的语言以及流畅度都有相关规定。视频素材的存储格式、彩色视频素材的图像颜色数、黑白视频素材的图像灰度级、视频类素材中的音频与视频的同步、视频集样的采样模式,采样基准频率等有规定动画素材的存储格式都必须达到规定的技术要求。

除此以外,试题库、试卷库、网络课件库、案例、文献材料、常见问题解答、资源目录索引都有相关的组织技术要求,资源在进行组织时都须严格按技术要求进行。

2汉语言文化资源的封装

汉语言文化资源的封装主要通过能够用来交换汉语言文化资源内容的标准数据结构——内容包的建设,以及如何构造易用和可复用的内容包体现出来。

包是一个逻辑目录,包含了一个顶级内容清单文件以及各级子目录中包含的实际物理文件。一旦一个包为了便于传输而被合成一个单独文件 ( 如 .zip, .jar, .cab) 时,将会被称作包交换文件。包交换文件是一种简练的网络发送形式,一种传输结构化信息的方法。

2.1汉语言文化资源的封装绑定

XML语言单独存在时并没有任何应用价值。XML与资源属性的绑定是其应用于教育领域的有效范例。

将资源属性与XML标记一一对应,根据教育资源建设技术规范编写具有良好结构的XML文档,以标记和标记中的内容准确表达该属性所反映的资源某一方面的信息。

一个包代表了一组可单独使用和可复用的学习内容。一个包可能是课程的一部分、一门课件或者课程的集合,它是可以独立使用的有意义单元,还可以被组合或分解成其它的包。包必须能够独立存在,即它包含了被单独运行时或复用时需要的所有信息。

包并不一定要求组合成一个包交换文件。一个包不需压缩成一个单独文件就可以通过CD或其它可移动媒体发布。内容清单文件和该文件所需要的其它支持文件(如用XML描述内容清单时的DTD,XDR,XSD文件) 必须发布在媒体的根目录下。

2.2 汉语言文化资源的封装实践

内容清单的作用范围是可伸缩的。一个内容清单描述可以独立使用的学习内容——一个学习对象(课程的一部分)、一门完整的课程或一系列课程的集合,通过使用子内容清单可以组合和拆分一个包,而这完全由内容制作者界定。

如果组成课程的所有内容连接紧密以至于不能进行拆分,内容制作者就可以使用一个内容清单来描述整个课程的资源和组织。否则,内容制作者可以为每个教学对象制作各自的内容清单,把这些内容清单相互组合,可以形成更高级别的不同课程的内容清单。

最后,一个内容制作者也可以把多个课程放到一个包(课程集合)中,这样一个顶级内容清单将包含各个课程级内容清单和课程中所包含的各教学对象内容清单。

2.3 资源的评价改进

2.3.1 汉语言文化资源的评价标准

符合科学性、教学性、技术性、规范性等通用标准,在此基础之上根据不同资源(文本素材、图形(图像)素材、音频素材、视频素材、动画素材、试题库、课件与网络课件库等)的特性,进行分项评价。

2.3.2 汉语言文化资源的评价流程

资源的管理责任者应对资源传播情况进行监控、考核、分析和评价,以确保所提供的资源、资源管理体系符合学习者的需求,以便持续根据用户需求进行改进。

1)收集、处理和分析学习者的反馈信息,依据结果并采用适当的方法找到目前存在的主要问题, 作为改进资源管理体系的依据。

2)通过管理者对问题的内部审核,决定是否对该问题实施改进。

3)通过对改进的问题进行跟踪服务,以验证该改进措施是否符合用户要求。

4)在管理评审中评价改进结果,确定新的改进目标和改进措施。

3汉语言文化资源组织和封装体系

3.1 汉语言文化组织与封装体系概况

3.1.1 汉语言文化资源组织与封装框架

汉语言文化资源组织与封装基本框架由以下5个方面组成:

资源组织:根据汉语言文化资源的内容分类对相关资源进行分类收集和标准化、系统化的加工整理。

资源封装:定义一种能够用来交换汉语言文化资源内容的标准数据结构——内容包以及如何构造易用和可复用的内容包。

资源封装信息模型:阐述汉语言文化资源内容封装的概念,建立内容封装模型。

资源封装绑定:描述如何用XML实现汉语言文化资源内容封装。

资源封装实践指南:对汉语言文化资源内容封装实践过程中可能出现的问题提出指导性建议。

以上5个方面组成了汉语言文化资源组织与封装的基本框架。

3.1.2 数据元素

对于汉语言文化资源管理基本框架的每个数据元素,本标准都作了如下定义:

名称:数据元素的名称 ;

对应的英文名称:数据元素的英文名称;

解释:对数据元素的定义。

3.2 汉语言文化资源组织与封装体系模型

图中反映了整个汉语言文化资源组织与封装体系模式,包括责任者对资源的输入操作和用户的反馈评价,以及资源机构责任者对资源进行组织与封装的主要步骤。

3.3 汉语言文化资源组织与封装体系的要求

3.3.1基本要求

1)汉语言文化资源的组织与封装单位应将资源的收集、积累、整理和发布管理工作程序化,明确责任岗位,指定专人管理。

2)汉语言文化资源的组织与封装单位应采取措施,保证汉语言文化资源的真实性、完整性、准确性和有效性。

3)应建立规范的制度和工作程序,从汉语言文化资源的收集开始不间断地对有关处理操作进行管理规范,保证汉语言文化资源的组织、封装过程符合规范。

4)应采取相关的检验审核措施,保证汉语言文化资源的真实性。

5)应建立汉语言文化资源完整性和准确性组织和封装制度,并采取相应的技术措施采集背景信息和元数据。

6)应建立汉语言文化资源有效性管理制度并采取相应的技术保证措施。

7)汉语言文化资源的组织和封装机构应对建设汉语言文化资源加强前端控制,实行全过程的管理和监控,保证工作的连续性。

8)教育技术相关委员会应负责监督和指导相关单位对汉语言文化资源的收集、整理和发布。并应根据行业信息化现状及时提出技术型指导意见,汉语言文化资源组织和封装单位据此明确规定建设汉语言文化资源的具体要求,保证资源的质量。

3.4 汉语言文化资源组织和封装体系使用要求

汉语言文化资源内容制作者需要制作可以共享和符合内容封装规范的学习内容,这类成员包括网络教育学院的技术人员,学习资源提供商,出版商,公司培训部门,数字图书馆等。

学习管理系统开发商需要丰富的教学内容支持他们的系统,他们需要知道内容包装的详细格式以便他们的系统能够在这种格式的基础上导入导出数据。

软件 / 工具开发商需要使他们开发的工具如制作工具、显示软件等能够开发和重用符合内容包装规范的学习内容。

学习内容服务提供者指那些购买、配置和使用上文提及的工具和产品的个人、公司和机构,这类成员包括政府机构和代理,企业,中小学校,高等学校等。

4结语

汉语言文化资源组织、封装是汉语国际教育资源建设的一个有机组成部分,汉语言文化资源组织和封装体系的提出有助于为汉语言文化教育资源提供一个规范和标准,以提高资源质量水平,保证学习者能接受高质量高水平的汉语言文化教育。随着教育教学实践的发展,汉语言文化资源组织和封装体系还需要不断进行修改与完善。

关于芯片的封装技术 篇2

DIP (DualIn-line Package) 是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片, 绝大多数中小规模集成电路 (IC) 均采用这种封装形式, 其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚, 需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然, 也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心, 以免损坏引脚。

DIP封装具有以下特点:

1) 适合在PCB (印刷电路板) 上穿孔焊接, 操作方便。

2) 芯片面积与封装面积之间的比值较大, 故体积也较大。

Inte l系列CPU中8088就采用这种封装形式, 缓存 (Cache) ) 和早期的内存芯片也是这种封装形式。

2 QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

QFP (Plas tic Quad Flat Package) 封装的芯片引脚之间距离很小, 管脚很细, 一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式, 其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD (表面安装设备技术) 将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔, 一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点, 即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片, 如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

PFP (Plas tic Flat Package) 方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形, 而PFP既可以是正方形, 也可以是长方形。

QFP/PFP封装具有以下特点:

1) 适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。

2) 适合高频使用。

3) 操作方便, 可靠性高。

4) 芯片面积与封装面积之间的比值较小。

Inte l系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。

3 PGA插针网格阵列封装

PGA (Pin Grid Array Package) 芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针, 每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少, 可以围成2-5圈。安装时, 将芯片插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸, 从486芯片开始, 出现一种名为ZIF的CPU插座, 专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。

ZIF (Ze ro Ins e rtion Force Socke t) 是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起, CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处, 利用插座本身的特殊结构生成的挤压力, 将CPU的引脚与插座牢牢地接触, 绝对不存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起, 则压力解除, CPU芯片即可轻松取出。

PGA封装具有以下特点:

1) 插拔操作更方便, 可靠性高。2) 可适应更高的频率。

4 BGA球栅阵列封装

随着集成电路技术的发展, 对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性, 当IC的频率超过100MHz时, 传统封装方式可能会产生所谓的“Cross Talk”现象, 而且当IC的管脚数大于208 Pin时, 传统的封装方式有其困难度。因此, 除使用QFP封装方式外, 现今大多数的高脚数芯片 (如图形芯片与芯片组等) 皆转而使用BGA (BallGrid Array Package) 封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。

BGA封装技术又可详分为五大类:

1) PBGA (Plas ric BGA) 基板:一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中, Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。2) CBGA (CeramicBGA) 基板:即陶瓷基板, 芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片 (FlipChip, 简称FC) 的安装方式。Inte l系列CPU中, Pe ntium I、II、Pe ntium Pro处理器均采用过这种封装形式。3) FCBGA (FilpChipBGA) 基板:硬质多层基板。4) TBGA (Tape BGA) 基板:基板为带状软质的1-2层PCB电路板。5) CDP-BGA (Carity Dow n PBGA) 基板:指封装中央有方型低陷的芯片区 (又称空腔区) 。

BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。1987年, 日本西铁城 (Citizen) 公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片 (即BGA) 。而后, 摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993年, 摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。同年, 康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到五六年前, Intel公司在电脑CPU中 (即奔腾II、奔腾III、奔腾IV等) , 以及芯片组 (如i850) 中开始使用BGA, 这对BGA应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。目前, BGA已成为极其热门的IC封装技术, 其全球市场规模在2000年为12亿块, 预计2005年市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。

5 CSP芯片尺寸封装

随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮, 封装技术已进步到CSP (Chip Size Package) 。它减小了芯片封装外形的尺寸, 做到裸芯片尺寸有多大, 封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍, IC面积只比晶粒 (Die) 大不超过1.4倍。

CSP封装又可分为四类:

1) Le ad Fram e Type (传统导线架形式) , 代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达 (Goldstar) 等等。2) Rigid InterposerType (硬质内插板型) , 代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。3) Fle xible Inte rpos e r Type (软质内插板型) , 其中最有名的是Te s s e ra公司的microBGA, CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气 (GE) 和NEC。4) WaferLevelPackage (晶圆尺寸封装) :有别于传统的单一芯片封装方式, WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片, 它号称是封装技术的未来主流, 已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。

6 MCM多芯片模块

视频内容加密封装技术研究 篇3

1 视频封装格式概述

目前主流的视频压缩编码格式是H.264/AVC,H.264/AVC是ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG共同开发的视频处理标准,ITU-T作为标准建议H.264,ISO/IEC作为国际标准14496-10(MPEG-4第10部分)高级视频编码(AVC)。H.264的算法在概念上可以分为两层:视频编码层(Video Coding Layer,VCL)和网络提取层(Network Abstraction Layer,NAL),NAL层为视频内容提供了与网络无关的统一接口,支持多种网络情况下的传输。

视频信号以H.264编码压缩到NAL单元中,NAL层之上是根据不同的内容封装格式或传输格式对NAL单元的打包。例如视频流可以被打包到PES包中,PES包又被封装成188 byte大小TS包作为TS流输出;视频流也可以被打包成Sample,然后增加头部信息等封装成MP4文件,如图1所示。

因此对于视频内容的加密,可以有多种选择。例如对VCL层视频编码数据的加密,如对编码的DCT系数进行加密,对熵编码的数据进行加密等;在编码层对NAL层不同类型的帧选择性加密,如HLS的NAL层加密;在视频封装层对数据进行加密,如对TS包进行加密(HLS的全文加密),或对MP4文件的sample进行加密(基于14496-12基本文件格式的CENC加密和PDCF打包格式);解决方案层的加密,如MPEG-DASH加密。

视频加密方案的具体选择需要结合视频来源的内容格式来考虑,如果视频来源是ES基本码流,则选择在编码层对NAL单元加密可以提供与上层封装及切片无关的加密方案;如果视频来源是已经封装好的内容格式,例如TS包或MP4文件,则应该根据具体的封装格式选择相应的加密方案(后文在叙述中较多使用了标准中的代码描述)。

2 DASH加密

2.1 DASH概述

基于HTTP的动态自适应流媒体DASH以媒体流模式提交媒体内容,其控制只依赖于客户端。客户端通过HTTP协议从标准的Web服务器请求数据,服务器不需要做适应于DASH的配置。23009-1中定义了从标准HTTP服务器到HTTP客户端间媒体内容分发和缓存所需的格式,主要包括MPD和媒体分片格式。MPEG-DASH的加密格式在23009-4中描述[1,2]。

2.2 MPD文件

媒体内容编码和提交版本,以及适合的描述形成媒体表述(MPD文件),MPD文件层次机构如图2所示。

1)媒体内容由单独或多个时间上连续的媒体内容时期(periods)组成。

2)每个period都由一个或多个媒体内容组件组成,例如不同语言的音频组件和视频组件。媒体内容组件由媒体内容组件类型标识,例如音频或视频。

3)每个媒体内容组件可能有几个不同的编码版本,即媒体流。每个媒体流继承媒体内容的属性,包括媒体内容period、编码参数、编码率等。

4)段可以被分为子段,每个子段包含若干个完整单元,客户端可以发起请求来请求子段。

DASH中不同媒体内容组件的所有编码版本共享相同的时间线。媒体内容里的单元被定位到全局通用的时间线,同步不同的媒体单元,便于相同媒体组件在不同编码版本之间切换。

客户端可以在一个Adaptation Set的不同Representation之间切换。切换过程为:首先播放到这个Representation的段或子段的结尾,然后播放新的Representation的下一个段或子段。

2.3 数据加密

ISO/IEC 23009-4定义了DASH的内容保护框架,用于获取媒体段的解密方法以及解密参数。MPD文件提供加密接口,定义key/IV的获取方式,并支持多个加密系统加密同一份内容。

1)加密方式

DASH段加密有两种方式:基础段加密方式和基于许可证的DRM方式。

(1)基础段加密

DASH中基础的段加密方式采用AES-CBC算法实现,使用HTTP(S)实现密钥传输。DASH的客户端能够识别出每个段的KEY和IV,并发起请求获取KEY实现媒体段的解密,如图2所示。

(2) DRM系统加密

DASH支持基于许可证的DRM系统。在这种方式中,客户端获取许可证,通过许可证获取KEYID,并通过KEY和MPD中包含的加密信息实现媒体段的解密。每个DRM系统可以采用该系统的许可证和KEYID的映射方式。

2)段加密

DASH中媒体分块如果是加密的,其加密相关信息通过ContentProtection来指定。

内容加密方法定义:通过SegmentEncryption@schemeI-dUri指定,DASH规定客户端应该强制支持AES-128 CBC加密,可选支持AES-128 GCM加密。

Key/IV的获取:MPD优先从License元素获取key/IV信息,如果License元素不存在,则从CryptoPeriod和CryptoTimeline获取key/IV信息。

许可证获取:对于基于许可证的内容保护系统,通过License元素可获取许可证URL,DASH支持相同内容的多个内容保护系统加密。

密码有效期:每个加密段都同一个密码有效期关联,同一个密码有效期的加密段使用相同的key/IV,密码有效期的持续时间以段的数目为量度。

3)命名空间定义

MPD文件的开始处增加命名空间定义。内容保护的描述在命名空间urn:mpeg:dash:schema:mpd:2011中定义。SegmentEncryption,CryptoPeriod和CryptoTimeline在命名空间urn:mpeg:dash:schema:sea:2013中定义。

4)内容保护元素定义

(1) ContentProtection

DASH中媒体分块如果是加密的,其加密相关信息通过ContentProtection来指定,相关描述见表1。DASH中ContentProtection的@schemeldUri属性应为urn:mpeg:dash:sea:enc:2013。

@schemeIdUri:23009-4中规定@schemeIdUri属性为urn:mpeg:dash:sea:enc:2013。GY/T 277-2014中增加扩展@schemeldUri的值为ChinaDRM申请的唯一编号。

(2) SegmentEncryption

SegmentEncryption描述应用在所有密码有效期的段加密属性,相关描述见表2。

(3) License

License元素作用于整个密码有效期,ContentProtection内可以有一个以上的License元素。如果License缺省,则加密参数由cryptoPeriod和cryptoTimeline指定,相关描述见表3。

(4) CryptoPeriod通用属性

CryptoPeriod指加密参数的持续时间。CryptoPeriod代表一个单独的密码有效期,CryptoTimeline代表多个类似的CryptoPeriod,相关描述见表4。

(5) CryptoPeriod

CryptoPeriod定义一个密码有效期,提供key和IV,同时定义哪些段加密,相关描述见表5。CryptoPeriod唯一对应一个加密起始段,CryptoPeriod可能是有限的时间(即段的数量),也可能是无限制的(到当前Period结束)。

(6) CryptoTimeline

CryptoTimeline用来定义持续长度的多个CryptoPeriod,相关描述见表6。

2.4 数据认证

MPD文件提供获取附加认证数据(AAD)接口。认证框架同内容保护框架无关,即认证可应用在加密段,也可以应用在不加密的段。如果认证和加密同时进行,则操作模式应该是“认证,然后加密”,这种方式可确保认证独立于加密,认证数据不随加密参数的改变而改变。

MPD中增加段认证定义的步骤:

1)增加EssentialProperty或SupplementalProperty定义。其中EssentialProperty代表认证是必选的,Suppleme ntalProperty代表认证可选。

2) EssentialProperty或SupplementalProperty中@schemeldUri的取值应该为urn:mpeg:dash:sea:auth:2013。

3) EssentialProperty或SupplementalProperty中增加ContentAuthenticity元素。ContentAuthenticity中定义认证算法,和用来下载认证数据的URL模板。

DASH支持的认证算法包括SHA-256和HMAC-SHA1,见表7。

3 ISO媒体内容通用加密方法(CENC)

3.1 CENC概述

通用加密格式CENC是基于ISO/IEC 14496-12的一种加密格式,CENC加密标准在ISO 23001-7及补充文档ISO23001-7 Amendment 1中描述[3]。

3.2 加密机制

CENC加密对sample entry做如下替换:

1)在每个track中添加Protection Scheme Information Box(sinf),标识内容为加密内容。

2) Protection Scheme Information Box('sinf)中包含Scheme Type Box('schm'):定义相应的加密算法,其中scheme＿type定义了加密类型,scheme＿version定义模式版本。CENC加密方式中,模式类型为scheme＿type='cenc',CENC采用AES-CTR算法加密;模式版本为scheme＿version=0x00010000。

3) Protection Scheme Information Box('sinf')中应包含Scheme Information Box ('schi')。

4) Scheme Information Box ('schi')中包含Track Encryption Box('tenc'),描述该track的加密参数。

CENC通用加密格式定义的相关参数包含在如下box中:

1)内容保护系统的方案相关信息,例如许可证和授权获取信息,包含在ProtectionSystemSpecificHeaderBox('pssh')中。

2)用于每个track的加密参数(包括KID、初始化向量、加密标志位),包含在TrackEncryptionBox('tenc’)中。

3)用于samples groups的加密参数(包括KID、初始化向量、加密标志位)包含在SampleGroupDescriptionBox ('sgpd')中。

4)单独sample的加密参数(包括初始化向量,sub sample加密数据)包含在样本附加信息中,由SampleA uxiliarylnformationSizesBox ('saiz')和SampleAuxiliarylnformationOffsetsBox ('saio')引用。

3.3 加密方式

CENC定义了两种加密方式:全样本加密和子样本加密。全样本加密把整个sample作为一个完整的单元加密;子样本加密中的sample分为一个或多个su bsample,每一个subsample都由不加密区域和加密区域交替组成,Sample中的所有加密区域被看作一个逻辑上连续的块,计数器值的增加与切换NAL单元无关。

3.4 box定义

1) Protection System Specific Header Box ('pssh')

Protection System Specific Header Box('pssh')包含内容保护系统,回放内容必要的信息。封装在数据域中的信息可以提供解密密钥获取方式,对基于许可证授权的内容保护系统,信息头包括许可证服务器或授权中心的URL信息和嵌入的许可证等。通过为每个DRM系统分配一个“pssh”,CENC能够支持一份媒体文件被多个密钥和多个DRM系统播放。

SystemID:UUID,唯一标识对应的内容保护系统。GY/T277-2014中规定,将16 byte长度的SystemID的前8 byte设置为“ChinaDRM”,后8 byte保留为0x00。

DataSize:数据域的长度,以字节为单位。

Data:存储内容保护系统的特定数据,例如许可证服务器的URL地址等。

2) Track Encryption Box('tenc')

Track Encryption Box包含整个track的IsEncrypted flag、IV＿size以及KID,这3个参数作为track中的sample的加密参数。对于每个track只有一个密钥的文件,Track Encryption Box允许基础加密参数在每个track定义一次,而不需要在每个sample做重复定义。

Track Encryption Box('tenc')的语法如下:

default＿IsEncypted:加密标志位,标识track中samples的默认加密状态,可以包含如下取值,0x0表示没有加密,0x1表示采用AES＿CTR 128加密。

GY/T 277-2014中将此项扩展为[5]:采用AES＿CTR加密时,保护模式信息盒(sinf)中的模式类型盒(schm)中的模式类型scheme＿type=‘cenc’;采用AES＿CBC加密时,保护模式信息盒(sinf)中的模式类型盒(schm)中的模式类型scheme＿type='cbc1';采用SM4＿CTR加密时,保护模式信息盒(sinf)中的模式类型盒(schm)中的模式类型scheme＿type='sm41';采用SM4-CBC加密时,保护模式信息盒(sinf)中的模式类型盒(schm)中的模式类型scheme＿type='sm42’;取0x000002～OxFFFFFF表示保留。

default＿IV＿size:默认初始化向量的size,字节为单位,0表示IsEncrypted取值为0x0时,没有加密,8:64或16:128位初始化向量。

default＿KID:track中所有sampls的默认加密密钥标识,允许每个文件或track有多个加密密钥。

加密track中的非加密sample将做如下取值:IsEncrypt-ed=0x0,IV＿size=0x0,KID=0x0。

4 HLS中的内容加密

4.1 HLS概述

HLS是Apple公司推出的动态码率自适应技术,HLS内容格式在HTTP Live Streaming draft-pantos-http-live-strearming-10中描述[6]。

4.2 加密方式

HTTP Live Streaming中内容加密有两种,一种是对TS切片文件直接加密;另一种是对H.264编码文件中类型为1和5的NAL单元进行加密,其他类型的NAL单元不加密。

4.3 加密机制

HLS中媒体分块如果是加密的,其加密密钥通过1M3U8文件中的#EXT-X-KEY来指定,密钥文件由客户端从服务器请求认证获得。一个播放列表可以有一个以上的#EXT-X-KEY,同一个媒体段也可以有多个不同KEYFOR-MAT属性值的#EXT-X-KEY。如果播放列表仅有一个#EXT-X-KEY,则密钥文件的生命期从当前#EXT-X-KEY开始到播放列表结束;如果播放列表有两个或以上的#EXT-X-KEY,则密钥文件的生命期从当前#EXT-X-KEY开始到下一个#EXT-X-KEY结束。客户端每次申请密钥文件都会发起一个新的HTTP请求,设置过多的#EXT-X-KEY会增加授权服务器的负担。

#EXT-X-KEY的格式如下:

#EXT-X-KEY:<attribute-list>

属性包括METHOD,URI,IV,KEYFORMAT和KEYFOR-MATVERSIONS,属性说明见表8。

METHOD属性为NONE时,表示媒体内容未加密,这种情况下不允许出现URI,IV,KEYFORMAT,KEYFORMAT-VERSIONS等属性。

METHOD属性为AES-128时,表示媒体内容采用AES-128方式对TS切片文件直接加密,这种情况下URI属性必须出现,IV属性可以出现也可以不出现。

METHOD属性为SAMPLE-AES时,表示对媒体段的部分或全部ES流加密,ES可以为音频、视频或其他样本,每一种ES的具体加密方式依赖于媒体编码,这种情况下IV属性可以出现也可以不出现。

IV为十六进制整数,代表加密初始向量。采用AES-128方式加密时,如果IV属性存在,则必须使用IV作为初始向量实现加密;如果IV属性不存在,使用媒体段的序列码作为初始向量实现加密。

KEYFORMAT标识密钥在密钥文件中的存储方式。默认是“identity”。GY/T 277-2014中增加扩展,如果KEY-FORMAT=chinadrm’,表示URI中给出的ChinaDRM规定的获取许可证的相关信息,包括许可证服务器地址和内容标识。

1) TS层加密

如果属性METHOD的值为AES-128,并且播放列表中包含#EXT-X-I-FRAMES-ONLY标签(只包含I帧流),则整个媒体段使用AES-128 CBC加密。

如果属性METHOD的值为AES-128,并且播放列表中不包含#EXT-X-I-FRAMES-ONLY标签,则CBC不能跨越媒体段,每个媒体段单独使用AES-128 CBC加密,从而实现整个媒体段全部内容的加密。

上述的两种加密方式,对TS切片文件直接加密,这种加密方式在切片时实现,需要在网络电视台及CDN系统编码器中集成加密功能,实施复杂度大,成本高。

2) ES流加密

METHOD属性为SAMPLE-AES时,表示媒体在内容打包封装之前对ES流加密。ES层的加密对每个包含16 byte整数倍的数据块以AES-128 CBC方式加密。对于视频数据,媒体段从第一个16 byte数据块开始,每间隔10的整倍数的16 byte的数据块加密(即1,16,26,…),对于音频数据,所有的16 byte数据块都必须加密。

SAMPLE-AES加密方式加密后的ES流不受上层封装及切片的影响,因此可以在不影响网络电视台现有系统及CDN部署的情况下实现对视频内容的加密,满足网络电视台等对视频内容保护的要求。

(1)视频流的加密

ES类型为视频流时,H.264编码文件中类型为1和5的NAL单元必须加密,其他类型的NAL单元不加密,加密NAL单元的数据格式如下:

加密的NAL单元需要增加预防二义性的前缀,该前缀是未加密的。NAL单元中第1个字节的NAL＿unit＿type和随后的31个字节是不加密的,其后是加密的数据段,数据段的长度必须是16的整数倍(因此长度小于48 byte的NAL单元是不被加密的),被保护的数据段采用10%跳跃加密,即每16 byte的加密数据块,跟随9个16 byte不加密的数据块,以此类推。加密H.264流时,类型为1或5并且长度大于48 byte的NAL单元必须基于上述方式加密,加密完成后为这些加密单元加上前缀码;解密H.264流时,类型为1和5,且长度大于48 byte的NAL单元需要解密,首先移除前缀码,然后按上述方式定位加密数据并解密-

(2)音频流的加密

ES类型为AAC音频帧时,包含ADTS头的音频帧为加密帧。AAC的加密帧不需要增加预防二义性的前缀,AAC帧中7～9 byte的ADTS头,以及之后的首个16 byte不加密,其后是加密数据段,加密数据段的长度应该为16的整数倍,余下的0～15 byte不加密。AAC音频数据加密格式如下:

ES类型为AC-3音频帧时,全部的音频帧都加密。AC-3的加密帧不需要增加预防二义性的前缀,AC-3帧中的首个16 byte不加密,其后是加密数据段,加密数据段的长度应该为16的整数倍,余下的0～15 byte不加密。AC-3数据加密格式如下:

5 视频加密方案

提出的视频内容加密方案是在NAL单元层对视频内容进行加密。H.264编码的视频流是由连续的NAL单元组成。每个NAL单元包含标志位表示该NAL单元数据类型,常见的NAL单元数据类型见表9。

选择NAL类型为1和5的帧进行加密,加密后重新封装为新的NAL单元,其余NAL单元保持不变,如图3所示。

加密后NAL单元描述为:

forbidden＿zero＿bit:长度为1 bit,定义为0;H.264规范声明为1时说明有比特流错误或为错误语法。

NAL＿ref＿idc:长度为2 bit;00表示该NALU不是用来构造I帧预测的参考帧,这种NALU可以丢弃而不影响参考帧的完整性;非00用来保持参考帧的完整性。

NAL＿unit＿type:长度为5 bit;加密后的NAL单元类型采用自定义的值,加密前NAL＿unit＿type=1,则加密后NAL＿unit＿type=25;加密前NAL＿unit＿type=5,则加密后NAL＿unit＿type=26。

IV:为初始向量,在AES-128 CTR模式[114-115]下,该值用来计算counter的值。

Key＿indicator:内容加密密钥标示,用以标示该NAL单元由哪个内容加密密钥进行加密。

6 总结

互联网视频服务的开展,亟需有效的数字版权管理技术支撑,保护运营各方的合法权益,保障互联网视频服务运营的可管可控。内容加密封装是互联网视频内容版权保护的关键技术之一,本文研究了主流互联网视频格式的内容加密封装技术,并在此基础上提出适应多码率、多格式、多切片加密封装需求的内容加密方案,为开展多元化、灵活的互联网视频服务提供有效的技术支撑。

摘要：基于HTTP的动态自适应流媒体技术面向多种智能终端提供视频服务是目前互联网视频服务的主流模式,内容加密封装是互联网视频数字版权保护的关键技术之一。对主流互联网视频格式的封装方法、加密方法进行分析,并提出基于网络提取层的视频内容加密方案。为互联网视频服务提供商实现视频内容保护提供技术支撑。

关键词：内容加密,数字版权管理,互联网视频,HLS,MPEG-DASH,CENC

参考文献

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[2]GY/T 277—2014,互联网电视数字版权管理技术规范[S].2014.

[3]ISO 14496-12,信息技术——音视频对象编码第12部分:ISO基础媒体文件格式[S].2005.

[5]ISO 23001-7,信息技术——MPEG系统技术第7部分:ISO基本媒体文件格式文件通用加密[S].2012.

[6]ISO 23009-1,信息技术——基于HTTP的动态自适应流媒体(DASH)第1部分:媒体展现描述与分段格式[S].2012.

板级电子封装跌落的失效分析 篇4

众所周知, 便携式电子产品很容易在移动环境或使用过程中发生碰撞、跌落而引起失效。随着电子产品的小型化、轻薄化和无铅化, 电子产品中焊点的可靠性问题更加严峻。目前, 焊点的可靠性研究通常有实验测试和有限元模拟两种方法。实验测试由于具有直观性和相对真实性, 是研究人员常采用的研究手段。但是该方法存在耗时长且成本高的缺点, 同时研究者难以测得焊球等细小却关键部位的动态应力/应变响应, 并不能对产品可靠性进行完整、准确地评价。因此, 在实验的基础上发展一套有效的数值模拟方法成为了现实的手段。

目前, 研究者已对焊点在冲击荷载下的失效模拟开展了众多工作[1,2,3,4]。然而以上传统的研究主要集中在分析关键焊点的应力/应变响应以及PCB弯曲变形造成的影响, 采用某种应力/应变作为焊球的失效准则来预测寿命等方面, 并没有详细地对焊点所经历的较大范围屈服以及界面IMC层损伤开裂的整个过程和机理进行充分合理的研究。由于内聚力模型可以很好地模拟界面材料的损伤破坏, 近来已被一些研究人员用于焊点失效过程的模拟[5,6,7], 但对其结合焊点应变率效应开展跌落损伤分析的工作还鲜见报道。

基于JEDEC标准建立板级封装跌落试验的三维有限元模型, 本研究采用Input-G方法并综合应变率效应分析跌落/冲击条件下焊点的动态行为, 利用内聚力模型来考察焊点连接处的失效情况, 为产品的可靠性设计提供参考依据。

1 板级跌落试验及有限元模拟分析

电子元件标准联合会 (JEDEC) 在2003年颁布的JESD22-B111[8]标准中, 对试验电路板、芯片布置以及测试方法等做了统一的规定。随后, Tee等人[9]在对跌落试验进行仿真分析时提出了Input-G方法, 模拟中研究者可以将整个跌落装置简化成只考虑测试板和封装体, 然后在PCB的4个螺栓孔上施加精确的加速度脉冲曲线作为其边界条件。这样做大大减少了数值分析所需的硬件资源, 并且计算速度比传统的自由跌落冲击分析方法快很多, 因此已被研究人员所广泛采用。

1.1 PCB组件几何建模

仿真模型为10 mm×10 mm×0.8 mm的TFBGA封装体通过焊球连接于标准JEDEC跌落测试板 (132 mm×77 mm×1 mm) 。由于实际的器件中封装体太多, 对计算时间影响非常大, 有限元模型只在变形最为严重的PCB中心位置建立1个封装体。本研究用于分析的整体实体模型以及封装体的安装位置如图1所示。

封装体由5.5×5.5×0.25 mm3的硅芯片 (Die) 、0.26 mm厚的基板 (Substrate) 和厚度为0.54 mm的封装树脂 (MC) 组成。焊球的直径和高度分别是0.35 mm和0.21 mm, 间距为0.5 mm。焊球与PCB、封装体连接处各有一层零厚度的IMC层, 用来模拟焊料互连的开裂。由于结构的对称性, 整体模型被简化为1/4对称模型。详细的三维有限元模型及焊点布局如图2所示。

IMC层采用ABAQUS中的COH3D8内聚力单元, 其余单元类型为C3D8R。由于显式算法对短时间内的动态响应分析 (尤其大型模型) 具有计算高效性, 本研究采用ABAQUS/Explicit显式平台进行模拟。模型总共有66 064个单元, 78 633个节点。

1.2 材料参数

材料属性中, 无铅焊点假设为双线性弹塑性材料。由于无铅材料对应变率比较敏感, 再加上焊点尺寸相对较小以及跌落时间短, 会导致焊点处产生高的应变率, 本研究选用考虑应变率效应的Cowper-Symonds模型[10]。即动态屈服应力σd随着塑性应变率ε̇pl变化而变化:

式中:σ0—准静态下的屈服应力;B, q—模型常数, 分别表示参考应变率和幂指数, 是材料率敏感性的度量。

焊球具体的材料参数如表1所示。

板级跌落试验的主要现象是界面IMC层的开裂失效, 因此对IMC层的处理显得尤为关键。本研究利用混合模式下的双线性内聚力模型来模拟IMC层的损伤失效。该模型采用了二次名义应力准则判断内聚力单元的初始损伤, 损伤扩展阶段则采用基于能量释放率的B-K准则。具体的材料参数如表2所示。

基板、PCB以及其他组件的材料属性如表3、表4所示[11]。

1.3 边界条件

模拟时, 本研究采用JEDEC跌落测试推荐的B条件 (加速度为1 500 G, 冲击脉冲时间为0.5 ms) , 把该半正弦加速度脉冲施加在PCB螺栓孔的竖直方向。另外, 在模型对称面上施加对称约束。IMC层失效以后还需考虑焊球与基板、PCB的接触。这里采用了通用接触方式, 程序会在计算前自动生成包含所有实体的面, 并在计算过程中自行判定模型中发生接触的表面。这对大变形问题非常实用。

2 结果讨论分析

2.1 焊料互连失效机理

众多研究表明, 焊点失效的机理可以用如图3所示的模型来解释。半正弦的加速度载荷施加之后, PCB螺栓处首先受力而开始发生弯曲变形。随后应力波逐渐传递到PCB中心、焊球以及封装结构上。冲击载荷消失后, 整个器件随惯性进行自由振动, 并且在内力的作用下, PCB发生上、下反复的弯曲变形, 使得焊点处承受着交变的拉应力和压应力, 最终在IMC界面层应力/应变较大处产生损伤并开裂。由此可知, PCB反复弯曲变形是导致焊料互连失效的根本原因。

PCB首次达到负方向最大位移时的变形图如图4所示。从图4中可以看到, 位移基本是沿着螺栓孔 (载荷施加位置) 与PCB中心 (最远端) 呈梯度分布。在时间历程曲线图里, 可以看到应力波的传递过程。PCB中心相对螺栓孔中心处的位移 (挠度) 随时间的变化曲线如图5所示。

从图5中可以看出, 经过1 ms后PCB中心位置正好达到最大位移值, 即, PCB中心挠度为3.42 mm。这时滞后加速度消失后0.5 ms。另外, 由图5可知, PCB的振动呈周期性变化, 并且随着时间的推移逐渐衰减, 其大小以及趋势与Tee的实验结果接近, 由此证明模拟结果是正确的。

2.2 焊球的应力

在跌落冲击过程中, 焊点处的应力/应变往往呈多轴状态分布。因此研究者在分析焊点的动态力学行为时, 通常采用表征综合效应的Von Mises等效应力来描述焊点的应力响应。Von Mises等效应力达最大值时的分布云图如图6所示。

从图6中可以清晰地看出, 靠外侧的两排焊点所受的应力明显比较大。其中, 离PCB中心最远的两个角焊点处的应力最大, 因而是关键焊点。在关键焊点的上、下两个界面上, 在外角的位置都出现了应力集中。这是由于PCB发生了沿长度和宽度方向的变形, 且边缘变形最大引起的。因而越远的焊点处所受的变形力越大, 容易发生失效。

2.3 IMC层的失效

板级跌落中, IMC层在整个焊料互连结构中占据重要的地位, 它对整个结构的可靠性起着决定性作用。本研究利用内聚力模型来模拟焊球与PCB和封装体之间的界面IMC层的失效, 结果显示最终出现损伤破坏的是PCB侧的IMC层。PCB侧IMC层的最终损伤情况如图7所示。

由图7可知, 位于边缘外侧的内聚力单元损伤比较大。损伤区域与图6中Von Mises等效应力较大部分发生的位置相似。这也进一步证明了在这些位置的焊球承受的应力/应变最大, IMC层最容易发生失效。此外, 可从图7中看出, 损伤是从角焊点的最外侧开始逐渐向内扩展, 随着时间的推移最终导致焊点连接的失效。其可能存在的原因是:在振动过程中, PCB在离中心最远的关键焊球处产生的翘曲变形最大, 同时, 由于PCB和封装体的翘曲及变形程度不一致, 这使得焊点会被上下两侧拉扯, 内聚力单元的损伤失效如图8所示。

经综合分析可知, IMC层受到较大的正应力和剪应力的共同作用, 因此出现了目前的失效方式。本研究通过数值模拟进一步验证了前述开裂失效机理的分析是合理的。另外, 由于PCB侧应力值大, 最终的结果就是在拉扯比较大的PCB侧IMC首先开始发生损伤。

2.4 焊球高度对可靠性的影响

本研究按照上述模型及加载条件, 研究了焊球高度对IMC层损伤情况的影响, 考察了在0.15 mm、0.18 mm、0.21 mm和0.24 mm 4种焊点高度下的跌落模拟。在模拟中保持焊点直径及上下截面的面积不变, 本研究提取了关键焊点上的最大剥离应力以及失效面积等信息。最终得到的结果如表5所示。由表5可知, 焊点高度对跌落可靠性有着一定的影响。

跌落冲击下关键焊点的最大剥离应力与焊点高度的变化关系如图9所示。总体来看, 焊点的最大剥离应力随焊点高度的增加呈现出先增大后减小再增大的现象。当焊点高度在0.21 mm左右时, 其最大剥离应力明显小于其他高度时的应力值, 说明此时的焊点抗跌落性能比较好。

2.5 焊球直径对可靠性的影响

在焊点高度不变的条件下, 关键焊点的最大剥离应力随焊点直径变化的关系曲线如图10所示。由图10可知, 当焊点直径在0.31 mm~0.37 mm内时, 焊点最大剥离应力随着焊点直径的增大而减小, 这可能是因为IMC层的面积增加导致焊点连接强度的增加, 从而在焊点处产生较小的应力。此外可以看到, 当焊点直径大于0.35 mm时, 其对应力的影响作用逐渐减弱, 对焊点抗冲击性能的影响趋于平缓。这一点也对封装的可靠性设计也有着一定的参考价值。

3 结束语

基于JESD22B-111标准, 结合内聚力模型, 本研究对无铅TFBGA组件板级跌落试验的失效过程做了模拟, 得到了以下结论:

(1) 跌落模拟结果显示, 靠外侧边缘上的焊点承受应力/应变较大, 最外端角点处的焊点是关键焊点, 最大应变多集中在焊点的外角处, 并由外向内递减分布。

(2) IMC失效发生在PCB侧角焊点的外角处, 然后随时间逐渐向内扩展, 该位置和焊球失效前应力/应变最大位置基本相同。

(3) 比较了不同焊点高度和直径对焊点可靠性的影响, 得到的结果对于优化微电子封装中焊点的结构有着重要的指导意义。

摘要：针对板级TFBGA封装跌落问题的可靠性, 建立了JEDEC标准试件的三维有限元模型, 采用Input-G方法并综合焊点应变率效应对电子封装结构在跌落冲击下的动态行为以及失效情况开展了研究, 并利用内聚力模型模拟得到了结构失效的位置分布, 最后比较了不同焊点高度和直径对封装结构抗冲击性能的影响。研究结果表明, 跌落冲击波引起的PCB反复弯曲是导致焊球界面失效的根本原因;离PCB中心最远的两个角焊点处的应力值较大, 是容易失效的关键焊点, 其失效主要发生在角焊点PCB侧的IMC处, 是由PCB和封装体的翘曲及变形程度不一致引起的;通过焊点尺寸参数化的研究能够为封装结构的优化设计提供有益的参考。

关键词：印刷电路板,板级跌落,可靠性,电子封装,应变率效应,内聚力模型,失效分析

参考文献

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[10]COWPER G R, SYMONDS P S.Strain hardening andstrain-rate effect on the impact loading of cantilever beams[R].Division of Applied Mathematics, Brown University, 1957.

浅谈光伏组件封装材料——背板 篇5

关键词：背板,老化性能

0 引言

背板位于太阳能电池板的背面, 对电池片起保护和支撑作用, 具有可靠的绝缘性 (耐压性能) 、阻水性 (阻隔水汽能力) 、耐老化性 (耐紫外, 耐腐蚀性能) 。从封装材料EVA的性能来分析, EVA的耐水解能力极低, 而电池片本身耐氧化的性能又较差, 这就极大的反应出了背板在组件封装材料的重要性能。

1 背板结构

在现有技术和市场的基础上, 背板原材料主要分为以下几种结构, 双面含氟背板, 单面含氟背板, 不含氟背板, 但加工工艺不同, 不同结构的背板性能也会存在很大的差异, 具体结构及性能如下:

1.1 双面含氟层背板

TPT/KPK:市场主流常见的TPT/KPK结构背板一般有两种成型工艺, 一种是复合型背板, 一种是涂覆型背板, 从破坏性试验 (HAST实验, 温度125℃, 湿度100%, 96小时) 结果来开, 复合型背板要远远好于涂覆型背板, 一般复合型背板经过192小时的HAST实验后外观不会有明显差异, 但是涂覆型背板一般到达72小时后背板就会出现, 涂层脱落, 背板开裂的现象。

1.2 单面含氟层背板

TPE/KPE:在单面含氟材料中, 复合结构的居多, 现在市场上一般白色E膜的单面含氟层背板居多, 这种背板即解决了背板后期易黄变的问题, 同时也大大的提高的了背板的反射率和粘接力, 从而提升了整个组件的输出功率, 提升了组件复合后的综合性能该种背板也是在近两年内替代双面含氟层背板的主流产品。

1.3 不含氟层背板

一般常见的2+1式纯PET背板结构, 有很多厂家正在开发一层PET结构的背板, 但大部分采用的是涂覆工艺, 两层PET结构的不含氟背板从性能上对比要比一层PET结构的要稍好一些, 耐户外老化性能也要强一些。

以上为现在市场主流产品的结构, 2013年, 在质量与成本双重压力下, 部分厂商开始推出了一种新型结构的背板, 该结构背板可以归结为是双面含氟结构的背板, 背板的空气层为复合形式的氟层, 在EVA封装膜层为涂覆型氟层, 这样结构的设计, 存在很大的设计优点, EVA测的涂覆型氟层有很大的耐紫外性能, 对背板内层的PET有很大的保护作用, 同时避免了背板黄变的问题, 空气层为复合型氟层, 即避免了涂覆型氟层耐候性能差的缺点, 又达到了传统含氟层背板的性能要求, 两者结合其来, 即降低了成本, 同时又保证了其质量的要求。

2 实验结果及分析

为了让大家更好的理解这三种形式的背板性能的优劣性能, 我们做了不同结构不同制作工艺的背板在实际测试过程中的性能参数对比。选取了A、B、C三个厂商A厂为复合含氟结构, B厂为纯PET结构, C厂为涂覆结构背板, 以三个厂商的背板测试数据进行了对比, 数据显示, 三种背板的基本性能没有太大的差异, 唯一一个性能指标就是与EVA的粘接力上, 与EVA粘接层为涂覆型含氟层的背板粘接力要远低于E膜层复合型背板, 但这并不影响其在组件中应用的性能。

接下来看一下老化性能测试的对比, 功率衰减如表1:

通过老化性能测试对比可以看出, 复合型含氟背板, 在老化性能上占有绝对的优势, 尤其是DH1000、TC200和HF系列中功率衰减速度较低, 纯PET和涂覆型背板在老化后性能表现相近, 但纯PET的DH2000、TC200和HF系列明显下降较快, 虽然我们现在还没有明确的实验能够验证组件在户外25年使用寿命的数据, 但从老化性能体现来看, 纯PET和涂覆型背板随着老化时间的延长, 功率衰减速度会越大。

为了更进一步的验证背板的耐老化性能, 我们进行了破坏性试验, 采用温度为139度, 湿度100%, 96小时的实验条件进行对比, 从破坏性试验的角度来看涂覆型结构的和纯PET结构的背板相对于复合型含氟材料背板有着明显的差距, 以上结果中, 纯PET的背板是早期的PET背板样品, 随着改性PET的不断优化, 现在纯PET的背板甚至要比TPT结构的背性能还要优越。

3 试验分析及讨论

综合以上实验数据及现象, 我们可以给出明确的结论, 无论是大组件老化衰减还是小组件的破坏性试验, 复合型的含氟背板要耐候性能要强于涂覆型和纯PET结构的背板, 但考虑到成本和组件后期使用环境的影响, 我们可以向区域性差异化产品发展, 根据不同地区的气候环境, 我们可以使用不同性能的背板。根据不同的环境我们在设置不同的实验来验证其效果。

前面我们已经提到了在2013年开始推出的新结构背板, 从设计理念上它能达到复合型含氟背板的要求, 同时可以达到双面复合氟层背板的性能, 而且价格存在明显的优势, 目前我们正在积极验证该种结构的背板, 我相信短时间内该种背板会成为市场应用的主流产品。

以上结论是基于背板PET层性能接近的情况的进行了系统分析, 现在有些系统应用的客户总是以背板的结构来判定背板的性能, 其实这是一个很大的误区, 在背板后期的使用过程中, PET本身的性能对背板有着很大的影响, 在我们验证背板的耐老化性性能过程中, 我们可以用Hast的老化实验来进行横向的破坏性试验, 如果TPT背板采用的是普通的PET材料, 那么一般在加速老化测试后, 背板就会出现脆化、微裂的现象, 而一些纯PET的背板往往能够承受的住这样高温高湿的环境, 我们在判定一个背板的耐老化性能好坏的时候, 不应只看背板是什么样的结构, 并不是说双面含氟的背板就一定要好, 我们要用实验的结果和数据进行对其耐老化性能的判定, 就目前个人的测试经验而谈, 在使用相同的PET时, TPT/KPK背板与TPE/KPE背板相比较, 已没有任何的优势, 早期背板结构中, 双面含氟的结构优势在于它的EVA层耐紫外的性能较强, 但是, 在TPE后期的发展过程中, E膜的改进已经完全抵消了TPT背板原有的优势, 反而更突显了其劣势的一点, 背板与EVA的粘接低, 背板本身的透水率高, 相对成本还较高, 在光伏材料日益竞争的残酷现实面前, TPT结构的背板已不适应产品发展的需求, 该种结构背板被市场淘汰只是一个时间问题。

4 结束语

IGBT模块封装热应力研究 篇6

IGBT模块因具有驱动功率小、开关速度较快、容量大的特点而广泛应用在电力电子技术中, 在较高频率的大、中功率中占据主导地位。IGBT模块应用的电力传动装置上, 通常要求整个系统使用寿命较高, 在其工作期间, IGBT模块一般要经受数百万次开关工作, 因而要求器件具有非常高的可靠性[1,2]。

近年来, 研究人员对IGBT模块的可靠性进行了大量的研究工作, 取得了很多研究成果, 认清了模块的主要失效模式, 改进了可靠性仿真评估方法和可靠性实验手段, 完善了器件的制造工艺, 从整体上提高了IGBT模块的可靠性, 并在针对焊锡疲劳现象分析的基础上提出了大量模块寿命预测模型:Coffin-Manson、Solomon、Engelmaier和Miner[3]分别提出了基于塑性应变的疲劳模型;Knecht和Syed[4,5,6]分别提供了不同蠕变程度的疲劳模型;Dasgupta给出了基于全部应变能的模型, 而Liang认为基于塑性应变能的模型更精确, Heinrich和Darveaux则认为能量密度要比单纯的能量更符合实际情况;Stolkart总体考虑了焊锡各种应变产生的损伤, 将所有损伤线性累加起来作为计算模型寿命的依据[7,8]。

本研究探讨IGBT模块在工作温度变化产生的热应力对模块的影响, 特别是面积较大的DBC下铜层-焊锡层-铜基板3层结构的热应力, 将3层堆叠结构的热应力计算模型的计算结果与FEA有限元仿真结果做出对比。同时进行温度循环实验以观测DBC与基板之间的焊锡层损伤分层的动态过程, 并计算在特定热应力下分层率与循环周期的函数关系, 分析热应力对分层率的影响, 以实验结果对理论计算进行证实, 最终给出模块失效前分层率与热应力和循环周期的函数关系。

1 热应力模拟

1.1 二维热应力模型

IGBT模块封装具有一个不同材料组成的多层结构, 一般由芯片-焊锡层-DBC上铜层-DBC陶瓷-DBC下铜层-焊锡层-铜基板7层组成, 结构图如图1所示, 其中面积最大、对模块可靠性影响较为关键的是DBC下铜层-焊锡层-铜基板这3层。

a—焊接线;b—芯片;c—焊锡层;d—DBC铜层;e—DBC陶瓷;f—焊锡层;g—铜基板

由于各层材料不同, 其热力学行为也不相同, 当模块处于开关状态或者工作环境温度发生变化时, 多层结构中各层材料的热膨胀系数 (如表1所示) 不同, 导致热应力的产生, 从而使模块发生热蠕变疲劳失效及弯曲变形, 即人们所称的双金属效应。由于焊锡层材料的弹性模量较低, 大部分损伤发生在这一层, DBC下铜层与铜基板之间的焊锡层面积要比芯片下焊锡面积大得多, 这层焊锡及其上、下两层铜层形成的3层结构的热应力模型是研究IGBT模块封装热应力的关键[9]。

根据热弹性力学中的位移公式, 加载合适的边界条件, 可以计算出3层堆叠结构中各层交界面上的剪切应力。

根据热弹性力学可知, 堆叠各层位移由4部分组成, 即热膨胀位移、体作用力导致的位移、层间剪切应力导致的位移和结构弯曲导致的位移。各符号物理意义如表2所示, 温度变化为Δt的3层结构位移公式如下[10]:

式中:u11—铜基板在其与焊锡层交界面上对焊锡层的相对位移, u21—焊锡层在该界面上的位移, u22—焊锡层在其与DBC下铜层交界面上对DBC下铜层的相对位移, u32—DBC下铜层在该界面的位移, hi—各层厚度。

且:

式中:Ei*—各层材料等效弹性模量, 其中1、2、3分别指代铜基板、焊锡层和DBC下铜层;Ei, νi—各层弹性模量和泊松比。

各层剪切模量为:

各层由于热膨胀导致的作用力为:

式中:2l—3层结构的长度, τi—每层之间的剪切应力。

由边界条件u11=u21, u22=u32, 求解上述方程组, 可以得到:

其中:

1.2 二维有限元仿真 (FEA)

本研究采用表1中的参数设定ANSYS3层结构 (DBC下铜层-焊锡层-铜基板) 热应力仿真。

模型在膨胀和收缩过程中, 层界面处的对应点不能发生相对位移, 为满足这一条件, 本研究在建模时利用布尔操作对各层进行一体化处理[11]。仿真时主要观察焊锡层和其上、下两层界面之间的剪切应力, 因此笔者对焊锡层特别是焊锡层边缘进行了网格细化, 来提高计算精度。计算模型采用了八节点四边形单元, 网格划分后共有10 059个单元。

仿真结果如图2所示。

由FEA仿真结果可以看出界面间的剪切应力由层状结构中心处到结构边缘逐步增加, 在很大一部分区间内几乎为零, 接近边缘后开始急剧增大, 到边缘旁边一点达到最大值, 然后锐减。

铜基板与焊锡层之间的剪切应力和焊锡层与DBC下铜层之间的剪切应力的热应力计算模型与FEA仿真结果的对比图如图3、图4所示。图3和图4显示出热应力计算模型的计算结果与FEA仿真结果几乎重合, 精确度很高。从图3中可以看出, 热应力计算模型计算出的铜基板与焊锡层之间的剪切应力最大值为299 MPa, FEA仿真结果为289 MPa;从图4中可以看出, 热应力计算模型计算出的DBC下铜层与焊锡层之间的剪切应力最大值为299 MPa, FEA仿真结果为282 MPa;两者结果十分接近, 差别在于计算模型算出的应力最大值在边缘, 而FEA仿真结果的最大值出现在十分靠近边缘的一点, 导致上述现象的原因是, 出于计算简洁方面的考虑, 在热应力计算模型中, 没有在边界条件中加入应力的边缘释放效应, 导致热应力计算模型中应力最大处出现在最边缘的地方, 而实际情况中, 边缘应力松弛, 所以最大值会出现在贴近边缘处的一点。

1.3 模型参数对热应力的影响

通过合理调整IGBT模块封装中的各项参数可以有效地减少模块中最大热应力的值, 这样来提高器件的使用寿命进而提高IGBT模块的可靠性, 各层材料的E、ν、α是其固有特性, 所能更改的只有各层的厚度, 分别更改焊锡层、DBC下铜层和铜基板的厚度, 来观察模块最大热应力与各个参数之间的关系, 其结果如图5~7所示。

最大剪切应力与焊锡层厚度之间的关系如图5所示, 从图5中可以看到, 最大剪切应力会随着焊锡层的厚度增加而减小, 并且收益递减。同时焊锡层的厚度会影响到IGBT整个模块的散热, 进而影响到模块的温度变化, 因此对最大热应力与焊锡层的厚度要权衡考虑。

最大剪切应力与DBC下铜层之间的关系如图6所示, 可以看到最大剪切应力会先随DBC下铜层的厚度增加增大, 到极值后逐步减小。考虑到模块成本和散热的影响, 在保证机械强度的前提下, DBC下铜层应越薄越好。

最大剪切应力与铜基板厚度之间的关系如图7所示。图7表明, 最大剪切应力会随基板厚度增加而增大。尽管减小铜基板的厚度能够有效减少剪切应力, 但铜基板起到支撑和保护整个模块的作用, 因而基板不能做的太薄, 需要整体考虑最大剪切应力与模块的机械强度。

2 温度循环实验

2.1 温度循环实验结果

温度循环实验常用来检测模块封装可靠性, 重点分析DBC与铜基板之间的焊锡层损坏情况[12]。实验采用冷热冲击箱, 共进行两组。第一组实验循环条件为升温12 min使模块温度从-40℃上升至150℃, 然后保持3 min, 再经过12 min使模块从150℃冷却至-40℃, 再保持3 min, 完成一次循环, 循环周期为30 min, 模块温度变化为ΔT=190℃。实验共进行了600次循环, 在第0、50、150、300和600次循环后进行超声扫描 (SAM) 检测, 来观察DBC下铜层与铜基板之间的焊锡层损坏情况。第2组实验循环条件为升温4 min使模块温度从0℃上升至150℃, 然后保持1 min, 再经过4 min模块从150℃冷却至0℃, 再保持1 min完成一次循环, 循环周期为10 min, 模块温度变化为ΔT=150℃。实验共进行了1 800次循环, 在第0、150、600、900和1 800次循环后, 进行超声扫描, 检测DBC下铜层和铜基板之间的焊锡层损坏情况。温度循环实验结果如图8~11所示。

从上述超声扫描图片中可以看到, 在未经过温度循环时, 焊锡层内存在杂散分布的微小空洞, 经过温度循环后, 材料间热膨胀系数不同导致的热应力循环加载在空洞上, 使空洞逐步放大, 最终连接成裂纹;另一方面, 焊锡一般为两种以上的共融金属组成, 以常见的SAC305焊锡来说, 在焊锡凝固后, 富锡区和富铟区形成各自的晶格, 在疲劳应力的作用下, 晶格间逐步分离, 最终形成裂缝。裂缝更容易发生在封装的拐角处, 这是由于拐角处的应力最大, 从仿真结果和应力计算模型中也可看到与拐角处的应力相比, 靠近中心处的应力很小, 几乎为零;当拐角处裂缝形成后, 邻近裂纹的边缘变为新的应力最大处, 进而继续分裂, 使裂缝开始生长。

2.2 焊锡分层率与剪切应力的关系

由热应力计算模型可以算出, 当ΔT=190℃时, 最大剪切应力为τ=0.57 GPa;ΔT=150℃时, 最大剪切应力为τ=0.45 GPa。根据coffin-mason公式可知模块寿命与ΔT指数相关, 而由热应力计算模型可以得出最大剪应力与ΔT线性相关, 因而模块寿命与最大剪应力也为指数相关;并且模块经受的每周温度循环条件一致, 在其损坏前可以假定每次循环中模块承受的最大剪切应力不变, 这样每个循环周期中造成模块损坏的能量相同, 因而模块分层率与循环周期线性相关, 即焊锡分层率具有如下形式:

式中:D—焊锡分层率, τ—最大剪切应力, N—循环周期, D0—焊锡初始分层率。

由ΔT=150℃的温度循环实验结果可以拟合出模块A和模块B的焊锡层分层率与最大剪应力的关系, 并将得到的计算公式作为该模块分层率的预测公式, 用ΔT=190℃的温度循环实验来验证。

模块A的焊锡分层率计算公式为:

D=518.3τ16.38N+0.05 (18)

模块B的焊锡分层率计算公式为:

D=139.3τ15N+1.47 (19)

模块A和模块B的焊锡分层率随循环周期的实验结果与预测结果如图12、图13所示。从图中可以看到, 焊锡分层率随循环周期的增加基本呈线性增长, 到某一定值D'后, 增长速度开始变得缓慢, 这是由于分层导致焊锡层边缘一周不再具有连接作用, 焊锡层整体尺寸减小, 最大剪切应力相应减少, 分层变得缓慢。通常来说D'大于20, 此时模块整体热阻比循环开始前增加较大, 一般认为模块此时已经损坏。图12、图13表明, 拟合出的分层率公式与实验结果基本吻合, 尽管拟合公式没有能够在模块损坏、最大剪切应力降低后继续给出分层率的计算, 但在此之前的拟合结果与实验结果的一致表明该公式可以作为模块寿命预测的方法。

3 结束语

本研究探讨了IGBT模块中热应力对模块可靠性的影响, 依据理论计算出的3层堆叠结构计算模型与FEA有限元仿真结果接近, 可以利用计算模型简化研究IGBT模块中各参数对热应力的影响。通过温度循环实验观测到了焊锡层的损坏过程和裂缝生长现象, 同时验证了分层率与最大剪切应力之间的关系, 与理论结果一致。

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环氧电子封装材料的性能研究 篇7

酸酐固化环氧树脂体系中,酸酐的使用量较大。在室温下,环氧树脂未产生交联网状结构,说明并未发生反应,所以酸酐类固化剂对固化温度有一定要求[7,8,9]。甲基纳迪克酸酐(MNA)为液体类酸酐,环氧树脂(E44)在常温下也为液体,MNA与E-51在常温下容易混合,并且此体系固化后,固化物呈现淡黄色,热变形、耐高温和热老化性能优良。MNA作为固化剂使用时,促进剂的选择尤为重要,选用不同的促进体系,固化后的环氧体系性能差异很大。

本研究以E-51为基体树脂,以甲基纳迪克酸酐(MNA)为固化剂,以DMP-30、BPO、乙酰丙酮铝Al(MM)3和2-乙基-4-甲基咪唑为促进剂,制备环氧树脂封装材料,并对其性能进行表征分析。

1 实验部分

1.1 主要药品及仪器

液体端羧基丁腈橡胶(CTBN分析纯),上海圣义塑胶科技有限公司;甲基纳迪克酸酐(MNA化学纯),济南佳达化工有限公司;过氧化二苯甲酰(BPO化学纯),上海三爱思试剂有限公司;2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MZ化学纯),深圳市汇特化工有限公司;2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚(DMP-30 分析纯),上海三爱思试剂有限公司;双酚A环氧树脂E-51(工业级),湖南省岳阳市巴陵石化化工公司。

X射线光电子能谱仪(K-Alpha),美国赛默飞世尔公司;动态热机械分析仪(DMA242E),德国耐驰;体积电阻率表面电阻率测定仪(EST121),北京冠测精电仪器设备有限公司。

1.2 环氧电子灌封料配方及固化工艺

采用超声振动共混、水浴加热方法制备封装材料:第一步,将环氧树脂(E-51)与增韧剂(CTBN)加入50mL烧杯中,于80℃超声振动水浴加热5h,进行预酯化反应。第二步,加入固化剂(MNA)与促进剂,并在50℃超声振动2h。最后,缓慢注入模具,放入已预热到80℃烘箱中梯度升温固化,80℃固化2h,90℃固化2h,100℃固化5h。配方见表1。

2 结果与讨论

2.1 环氧树脂封装材料IR分析

图1是环氧灌封料固化前在4000~400cm-1波段内的红外光谱谱图。

图2是固化后的环氧灌封料的红外光谱图。此图a-f的配方如表1。

根据标准图谱,3472cm-1附近为羧基伸缩振动,2967cm-1附近为甲基伸缩振动,2928cm-1附近为亚甲基伸缩振动,2867cm-1附近为次亚甲基伸缩振动,1610、1584 和1506cm-1附近为苯环骨架振动,914cm-1附近为环氧键的吸收峰。 由图得知,914cm-1附近环氧基吸收峰、3600~2500cm-1附近宽谱带消失,说明环氧体系固化完全。对比b-f可发现5种环氧体系的固化情况大致相同,而a与其他5种体系的不同之处是BPO离解时生成羧基酯游离基,催化促进环氧基和胺基反应,体现了协同促进作用[10]。

2.2 环氧树脂电子灌封料热性能分析

图3是环氧树脂为10%(wt,质量分数,下同)、MNA为7.5%、BPO为0.4%、DMP-30 为0.2% 下固化产物的DMA曲线。

图3指出,损耗模量(E″)40℃ 时得到提高,130℃ 时提升最大,在固化过程中,储存模量(E′)得到大幅增长。

在固化过程中力学损耗达到极值。E′在玻璃转化区内,有若干数量级的变化。主松弛区内,从玻璃态转变成黏弾态,E′下降,E″出现最大值。出现主松弛现象的温度范围与频率相关[11]。

伴随着温度升高,环氧树脂发生交联反应,促使模量显著增长,在120℃时,E′和E″显著增长,说明聚合物交联程度基本达到极值,并在150℃左右时,聚合物进入玻璃化转变区,交联度达到饱和,分子链的运动不受阻碍,致使模量下降。贮能模量的降低是因为形变转变到分子间滑移所需内耗增加,自身贮存的能量消耗。所以由图3 得出,tanδ峰值处的温度为玻璃化转变温度Tg,其值为165℃。

低温区内,形变速度快,但与应力变化速度大致相当,聚合物的δ很小,内耗很小,tanδ处在很小的数值,基本没有变化;100~170℃范围内,由于温度上升导致分子链运动加速,运动时产生的内摩擦增大,分子键长和键角发生较大改变,应力与应变的速度不一致,δ变大,内耗增大,tanδ增大并达到峰值;170~200℃范围内,由于温度高于聚合物的玻璃化转变温度,聚合物以玻璃态的形貌存在,分子运动所产生出的内摩擦较少,tanδ值变小,内耗也随之降低,tanδ值降低。由图3 中可以看到tanδ出现峰值。

其他组分不变,酸酐的使用量不同的DMA曲线见图4。酸酐使用量不同的环氧体系力学损耗和玻璃化转变温度(Tg)见表2。

(a:7.5%酸酐;b:7.6%酸酐;c:7.7%酸酐;d:7.8%酸酐;e:7.9%酸酐)

根据表2和图4,得出环氧体系的Tg随着酸酐使用量的增加出现先升高后降低的现象,当酸酐的用量为7.7%时,试样的Tg最大达到165℃,其力学损耗为最小值0.324。酸酐用量为7.7% 时,环氧体系的热力学性能、热机械性能达到最优。

固化剂的加入量对环氧体系的Tg和tanδ有一定的影响。随着酸酐用量的增加,环氧树脂体系的热力学性能发生变化。伴随着酸酐粒子的增多,环氧树脂与酸酐反应,生成交联网状结构,增加了体系的交联密度,同时降低了体系的内耗,致使体系的Tg不断增大,tanδ不断减小;当酸酐的用量继续加大时,形成交联网状结构程度加大,分子间极性增大,分子链运动受阻,环氧树脂与固化体系中的羧基阴离子继续反应受阻,可反应基团小于等当量配比时,环氧基团未完全发生交联反应,交联密度没有达到最大;当酸酐的用量继续增大,小分子酸酐可以为体系的链段运动提供更多的自由体积,促使固化体系在后期未形成网络结构的环氧分子与羧基继续发生反应,致使Tg减小,tanδ增大。

2.3 环氧电子灌封料电学性能分析

高聚物的电性能由两部分组成:介电性能和本体电导性能[12]。用介电损耗和介电常数来表征介电性能,用体积电阻率和表面电阻率一级击穿场强等数据来表征本体电导性能。高聚物能够对外电场作出响应,在交变电场中所体现的性质,在弱电场中所体现出来的电导性质或绝缘性,在强电场中所体现出来的介电击穿以及高聚物电介质表面的静电现象等都是材料的电学性能。

表3考查的是采用不同促进剂对灌封料体系损耗正切和体积电阻率的影响。

从表3可以看出,选择不同促进剂种类和组合对环氧体系的电性能影响很大,BPO与DMP-30产生协同作用,反应得到的体系的损耗正切最小;2E4MZ促进的环氧体系体积电阻率与比其他组合略低,但也达到1014数量级,而乙酰丙酮铝促进的环氧体系体积电阻率较高,综合考量下,在相同的环氧树脂用量的情况下,促进剂组合BPO、DMP-30和Al(MM)3促进效果更优,因此体系的电学性能更优异。

3 结论

环氧体系在梯度固化工艺下,根据红外光谱测试和动态热机械分析测试可知,选用不同的促进剂对环氧灌封料的性能有很大的影响,酸酐用量为7.7% 时,灌封料性能最优。由电学性能可知,促进剂组合为BPO(0.4%)、DMP-30(0.2%)、Al(MM)3(0.2%)时,其电学性能最优。固化温度有所降低,但其性能完全满足灌封料的要求。

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