CN104880402B - 一种用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法 - Google Patents
一种用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法，搭建试验平台，用应变片分别测量底层和顶层焊球的情况，针对可能出现的不同的加载模式，构建了四种典型的热循环应力和振动循环应力混合组合的加载模式，更全面真实反应实际的工况，提高了寿命预测的精确度；由动态信号测试仪记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为实验数据，根据实验数据分别计算得到应变，再将应变经雨流计数法计算出应变幅，然后根据公式计算出PoP芯片的预测寿命；比简单地将热循环和振动载荷损伤率相加更精确，无需长时间地测试焊球失效时间，更为高效快速。
Description
技术领域
本发明涉及芯片加速寿命试验方法，特指一种用于PoP(Package on Package，即叠层封装)芯片寿命预测试验方法。
背景技术
随着芯片的发展, 电子封装技术发展产生的PoP成为3D封装中最为流行的产物之一。PoP芯片具有良好的尺寸性能，电子功能强大，并且具有生产周期短及生产成本低廉的优势。其主要作用就是将底层封装为逻辑器件，在顶层封装中集成高密度的组合存储件，该器件能够集成高密度的数字或数字和模拟的混合信号。PoP芯片设计灵活性大、传输信号快、可靠性高，应用广泛，其使用寿命直接影响其电子产品的质量和可靠性，其寿命预测很关键。
加速寿命试验是加大应力、强化试验条件，使产品暴露缺陷加速失效的试验，从而在较短的时间内对产品在正常的情况下进行寿命特性预测和评估的，其前提为失效机理不改变的同时又不带来新的失效因素。根据应力的加载方式，加速寿命试验可以分为三类：恒定应力、序进应力和步进应力加速寿命试验。其中，恒定应力试验需分多组试验，试验周期长，而步进应力和序进应力加速试验数据不适用于PoP焊点寿命估计的Coffin-MansonEquation (循环应变-寿命公式)模型。
目前针对芯片的加速寿命预测试验多是针对BGA(Ball Grid Array,球栅阵列),PBGA (Plastic Ball Grid Array Package，塑料焊球阵列) 封装等单层芯片结构，缺乏对叠层封装PoP芯片含有两层焊球情况的加速寿命预测，且多为施加单一载荷，比如单一施加热载荷，或者单一施加振动载荷进行试验。但是实际工作中，PoP芯片是受到多种复杂的载荷共同影响的，多半是在热、机械综合载荷加载的环境中工作，而且焊点寿命与加载的载荷以及加载的先后顺序密切相关。单一载荷下PoP芯片的寿命预测试验不能全面反应PoP工作时的真实环境，单一的加载模式也不能全面真实的反应每种特殊加载模式下的PoP芯片焊点的寿命情况。如中国专利申请申请号为201410031170.6的专利文献提出的一种基于有限元仿真的热振联合载荷下BGA焊点疲劳寿命预测方法，该方法是先加热循环载荷，再选取几个关键温度进行振动加载进行仿真，这和实际的热循环与振动同时加载的情况仍有差异，且在最后寿命预测计算热振联合载荷下BGA焊点的总损伤率时，直接将热循环导致BGA焊点的损伤率和几个关键温度下随机振动导致的损伤率相加得到，也不符合真实情况。而中国专利申请号为201410614060.2的专利文献提出的一种BGA焊点加速寿命预测方法，是先进行温度循环加载，再进行综合应力加载，最后再进行温度循环加载，也只能单一反应该种加载模式的情形，而且测试失效时间周期长。
发明内容
本发明的目的是为解决现有PoP芯片寿命预测试验技术存在的问题，提出一种用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法，是一种针对PoP芯片的高效、客观、全面、低成本的寿命预测以及加速寿命试验方法，全面地预测PoP芯片的工作寿命。
本发明采用的技术方案是包括以下步骤：
1）搭建试验平台，试验平台包括一个高低温实验箱，高低温实验箱里面放置振动实验台以及由PCB板和PoP芯片组成的PoP组件，振动控制仪连接并控制振动试验台；在PoP组件顶层芯片两条边各贴一个顶层应变片，在PoP组件底层芯片下方的PCB背面两条边各贴一个底层应变片；两个顶层应变片与第一个电桥盒内的两个电阻R按照惠斯通电桥半桥连接；两个底层应变片与第二个电桥盒内的两个电阻R按照惠斯通电桥半桥连接，两个惠斯通电桥半桥分别接入应变放大器，应变放大器经动态信号分析仪连接电脑；
2）先开启高低温实验箱对PoP芯片进行高低温循环加载，高低温循环加载后再开启振动控制仪进行振动加载，高低温循环加载和振动加载每隔T分钟交替进行；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第一组实验数据 ；
3）先开启振动控制仪对PoP芯片6进行振动加载，振动加载结束后再开启高低温实验箱进行高低温循环加载，振动加载和高低温度循环加载每隔T分钟交替进行；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第二组实验数据；
4）先开启高低温实验箱对PoP芯片持续进行高低温循环加载，高低温加载后第T分钟时再开启振动控制仪进行T分钟的振动加载，然后停止振动加载T分钟，再加载T分钟的振动载荷，如此依次间歇性地进行振动加载；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第三组实验数据；
5）同时开启高低温实验箱和振动控制仪对PoP芯片6进行高低温循环和振动共同加载，共同加载T分钟后停止高低温循环加载，停止T分钟后再进行T分钟的高低温循环加载，如此依次间歇性地进行高低温循环加载；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第四组实验数据；
6）电脑根据四组实验数据分别计算得到应变；再将应变经雨流计数法计算出应变幅；然后根据公式分别计算出对应于的寿命；最后根据公式计算出PoP芯片的预测寿命；Ai是PoP组件的焊点开裂面积；AD=6.1×103mm2。
本发明采用上述技术方案后具有的优点：
1、本发明针对PoP芯片两层焊点的特殊“三明治”结构，用应变片分别测量底层和顶层焊球的情况，更真实的反应各层焊球的情况。
2、由于热循环载荷和振动循环载荷的加载次序对寿命将产生影响，针对可能出现的不同的加载模式，本发明构建了四种典型的热循环应力和振动循环应力混合组合的加载模式，能更全面真实的反应实际的工况，提高了寿命预测的精确度，对PoP芯片可靠性形成评估。
3、基于合金材料焊点的循环应变-寿命的修正Coffin-Manson方程模型计算疲劳，比现有技术中简单地将热循环和振动载荷损伤率相加更精确，也无需长时间地测试焊球失效时间，更为高效快速。
附图说明
图1是本发明一种用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法的的流程图；
图2是实施本发明所采用的试验平台的连接原理图；
图3是图2中PoP芯片上的应变片贴片方式图；
图4是图2中应变片与电桥盒组成的半桥电桥结构图；
图5是本发明的温度循环加载示意图；
图6是本发明的正弦振动循环加载示意图（量级10G）；
图7是本发明的第一种加载模式示意图；
图8是本发明的第二种加载模式示意图；
图9是本发明的第三种加载模式示意图；
图10是本发明的第四种加载模式示意图。
图2中：1.振动控制仪；2.高低温实验箱；3.振动实验台；4.实验夹具；5.PCB板；6.PoP芯片；7.顶层应变片；8.底层应变片；9.电桥盒；10.应变放大器；11.动态信号分析仪；12.电脑。
具体实施方式
参见图1，本发明首先制备试验样品，试验样品为含单个PoP芯片的PCB组件。然后再搭建如图2的试验平台。试验平台包括一个高低温实验箱2、高低温实验箱2里面放置有振动实验台3、实验夹具4、PCB板5和PoP芯片6。PCB板5和PoP芯片6组成PCB组件。将PoP组件通过实验夹具4固定在振动试验台3上，
在PoP组件顶层的芯片塑封层上，沿芯片两条边方向各贴上一个顶层应变片7，分别是第一个顶层应变片7和第二个顶层应变片7，如图3所示，在PoP组件的底层芯片下方的PCB背面两条边上以同样方式各贴上一个底层应变片8，分别是第一个底层应变片8和第二个底层应变片8，两个顶层应变片7和底层应变片8的灵敏度k=2。
第一个顶层应变片7和第二个顶层应变片7的引线从高低温实验箱2的内部引出，伸入第一个电桥盒9内，与第一个电桥盒9内的两个电阻R按照惠斯通电桥半桥连接；同样，第一个底层应变片8和第二个底层应变片8的引线也引出高低温实验箱2，伸入第二个电桥盒9内，与第二个电桥盒9内的两个电阻R按照惠斯通电桥半桥连接。两个惠斯通电桥半桥分别接入应变放大器10的两个输入通道中，应变放大器10的桥压=2v，放大倍数=2000。再将应变放大器10的两个输出通道分别接入动态信号分析仪11，动态信号分析仪11连接电脑12，
位于高低温实验箱2外部的振动控制仪1连接振动试验台3，控制振动实验台3振动，来施加正弦振动循环载荷。高低温实验箱2对PoP芯片6施加温度循环载荷。惠斯通电桥用来测量桥路中应变片的电压值。应变放大器10将电桥测得的电压值放大。动态信号分析仪11用来采集应变放大器10放大后的电压值。电脑12使用动态信号测试系统软件，记录响应信号，分析计算。
试验平台搭建好后，先通过振动控制仪1进行50-500Hz的正弦扫频测试，PoP组件出现共振现象时的频率即为一阶固有频率f。然后对PoP组件实施以下四种加载模式：
第一种加载模式：先开启高低温实验箱对PoP芯片进行高低温循环加载，高低温循环加载后再开启振动控制仪进行振动加载，高低温循环加载和振动加载每隔预先设定的T分钟交替进行。
本发明开启高低温实验箱2对PoP芯片6进行温度循环加载280分钟。设置高低温实验箱2的高温为100℃，低温为0℃，0℃和100℃的保温时间均为15分钟，升降温时间均为20分钟，如图5。也就是：在第一个20分钟内，先从低温0℃升到高温100℃，在高温100℃时保温15分钟，再在第二个20分钟内从高温100℃降到低温0℃，在低温0℃睦保温15分钟后再升温，这样循环，直到加载280分钟结束。
温度加载结束后，再开启振动控制仪1加载280分钟，振动控制仪1的正弦振动的加速度量级为10G,频率为一阶固有频率f，加载时间设置为280分钟，如图6。
振动加载结束后，再按相同的参数设置开启高低温实验箱2加载280分钟，这样，使两个高低温实验箱2和振动控制仪1这两个设备每280分钟交替加载，一共交替加载的总测试时间为14小时，如图7。
加载实验中，设置动态信号测试仪11每隔t时间记录两个电桥盒9分别经过应变放大器10后输出的两组电压值，保留其中电压值较大的一组，即受到应力应变较大的一组数据，作为第一组实验数据。本发明在每种加载模式中，动态信号测试仪11都是取每隔3分钟时间记录一次。
第二种加载模式：先开启振动控制仪对PoP芯片6进行振动加载，振动加载结束后再开启高低温实验箱进行高低温循环加载，振动加载和高低温度循环加载每隔T分钟交替进行。
同第一种加载模式一样设置高低温实验箱2和振动控制仪1的参数。先开启振动控制仪1加载280分钟，加载停止后再开启高低温实验箱2加载280分钟，温度加载结束后再按相同的参数设置开启振动控制仪1加载280分钟，这样两个设备每280分钟交替加载，一共交替加载的总测试时间为14小时，如图8。加载实验中，设置动态信号测试仪11每隔3分钟记录两个电桥盒9分别经过应变放大器10后输出的两组电压值，保留其中电压值较大的一组，即测得应力应变较大的一组数据，作为第二组实验数据。
第三种加载模式：先开启高低温实验箱对PoP芯片持续进行高低温循环加载，高低温加载后第T分钟时再开启振动控制仪进行T分钟的振动加载，然后停止振动加载T分钟，再加载T分钟的振动载荷，如此依次间歇性地进行振动加载。
设置高低温实验箱2，温度循环加载模式是：设置高温为100℃，低温为0℃，0℃和100℃的保温时间均为15分钟，升降温时间为20分钟，加载时间设置为14小时。设置振动控制仪1：正弦振动的加速度量级为10G,频率为一阶固有频率f，加载时间设置为280分钟。
高低温实验箱2在加载14小时的温度循环载荷时，温度加载的同时，第280分钟时开启振动控制仪1进行280分钟的加载，然后停止加载280分钟后，再加载280分钟的振动载荷，依次间歇性的加载，一共14小时，如图9。加载实验中，设置动态信号测试仪11每隔3分钟记录两个电桥盒9分别经过应变放大器10后输出的电压值，保留其中电压值较大的一组，即测得应力应变较大的一组数据，作为第三组实验数据。
第四种加载模式：同时开启高低温实验箱和振动控制仪对PoP芯片6进行高低温循环和振动共同加载，共同加载T分钟后停止高低温循环加载，停止T分钟后再进行T分钟的高低温循环加载，如此依次间歇性地进行高低温循环加载。
设置高低温实验箱2，温度循环加载模式是：设置高温为100℃，低温为0℃，0℃和100℃的保温时间均为15分钟，升降温时间为20分钟，加载时间设置为280分钟。振动控制仪1的正弦振动的加速度量级为10G,频率为一阶固有频率f，加载时间设置为14小时。
同时开启高低温实验箱2和振动控制仪1，温度加载结束后，间隔280分钟后高低温实验箱2再按相同的参数加载280分钟，如此温度循环，每间歇280分钟加载一次，一共间隔加载时间为14小时。加载实验中，设置动态信号测试仪11每隔3分钟记录两个电桥盒9分别经过应变放大器10后输出的电压值，保留其中电压值较大的一组，即测得应力应变较大的一组数据，作为第四组实验数据。
电脑12对四组实验数据进行计算，先根据输出电压和应变之间的关系分别计算得到应变。
输出电压和应变之间的关系为：
是实验数据，分别等于 ； 为应变放大器10的放大倍数；k 为应变片灵敏度；为应变，对应于分别等于；是惠斯通电桥的桥压。本发明中，惠斯通电桥的桥压=2v，放大倍数=2000，应变片灵敏度k=2。
再将得到的应变的数据，导入到现有的MATLAB的雨流计数法的程序中处理（MATLAB的雨流计数法是常规计算方法），计算出不同应力条件下的应变幅。
基于现有的Coffin-Manson Equation (循环应变-寿命公式)模型：
其中N是寿命；是应变幅，分别等于；
Su是PoP组件的极限抗拉强度，对于合金焊点为37.9MPa；
E是弹性模量：20GPa（无铅焊点）
Ai是PoP组件的焊点开裂面积；
AD=6.1×103mm2。
对于无铅焊点芯片，代入相关参数，可以将该方程简化为：
Ai是焊点开裂面积，保守估计时带入极限面积，即焊球最大横截面积。
带入雨流计数法处理得到的应变幅，分别计算出对应于的四组试验数据的寿命。
最后，根据公式计算出PoP芯片6的预测寿命为。
Claims (4)
1.一种用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法，其特征是包括以下步骤：
1）搭建试验平台，试验平台包括一个高低温实验箱，高低温实验箱里面放置振动实验台以及由PCB板和PoP芯片组成的PoP组件，振动控制仪连接并控制振动试验台；在PoP组件顶层芯片两条边各贴一个顶层应变片，在PoP组件底层芯片下方的PCB背面两条边各贴一个底层应变片；两个顶层应变片与第一个电桥盒内的两个电阻R按照惠斯通电桥半桥连接；两个底层应变片与第二个电桥盒内的两个电阻R按照惠斯通电桥半桥连接，两个惠斯通电桥半桥分别接入应变放大器，应变放大器经动态信号分析仪连接电脑；
2）先开启高低温实验箱对PoP芯片进行高低温循环加载，高低温循环加载后再开启振动控制仪进行振动加载，高低温循环加载和振动加载每隔T分钟交替进行；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第一组实验数据；
3）先开启振动控制仪对PoP芯片6进行振动加载，振动加载结束后再开启高低温实验箱进行高低温循环加载，振动加载和高低温度循环加载每隔T分钟交替进行；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第二组实验数据；
4）先开启高低温实验箱对PoP芯片持续进行高低温循环加载，高低温加载后第T分钟时再开启振动控制仪进行T分钟的振动加载，然后停止振动加载T分钟，再加载T分钟的振动载荷，如此依次间歇性地进行振动加载；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第三组实验数据；
5）同时开启高低温实验箱和振动控制仪对PoP芯片6进行高低温循环和振动共同加载，共同加载T分钟后停止高低温循环加载，停止T分钟后再进行T分钟的高低温循环加载，如此依次间歇性地进行高低温循环加载；动态信号测试仪每隔t分钟记录两个电桥盒分别经过应变放大器后输出的两组电压值，将其中电压值较大的一组作为第四组实验数据；
6）电脑根据四组实验数据分别计算得到应变；再将应变经雨流计数法计算出应变幅；然后根据公式分别计算出对应于的寿命；最后根据公式计算出PoP芯片的预测寿命；Ai是PoP组件的焊点开裂面积；AD=6.1×103mm2；
步骤2）、3）、4）、5）中，T为280分钟；t为3分钟；高低温循环加载时温度加载参数是：高温为100℃，低温为0℃，升降温时间均为20分钟，在0℃和100℃时保温时间均为15分钟；振动控制仪1的振动加载参数是：正弦振动的加速度量级为10G, 振动频率为一阶固有频率f；加载的总时间为14小时。
2.根据权利要求1所述的用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法，其特征是：通过振动控制仪1进行50-500Hz的正弦扫频测试，PoP组件出现共振现象时的频率为一阶固有频率f。
3.根据权利要求1所述的用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法，其特征是：步骤6）中，根据关系式分别计算得到应变；是实验数据，分别等于 ； 为应变放大器的放大倍数；k 为应变片灵敏度；为应变，对应于分别等于；是惠斯通电桥的桥压。
4.根据权利要求3所述的用于PoP芯片加速寿命预测的试验方法，其特征是：惠斯通电桥的桥压=2v，放大倍数=2000，应变片灵敏度k=2。
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