CN105445328B - 综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微互连焊点的疲劳寿命评价方法、装置和系统，该方法包括：根据待评价器件制备焊料和的最小单元线路板；将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点；将最小单元菊花链互连结构固定在绝缘的硬质测试夹具上以形成对微互连焊点的应力约束；将硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集最小单元菊花链互连结构的电参数以根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命。使用该方法能够有效的评估微互连焊点的疲劳寿命，可对不同成分焊料的微互连焊点的疲劳寿命进行评价，从而对微互连焊点的结构和材料进行优化计。通过比较各种成分焊料的微互连焊点的疲劳寿命可以确定效果最好的焊点结构和材料。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件封装领域，特别是涉及一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法、装置和系统。
背景技术
高密度封装微互连焊点在电子组装技术中主要起机械支撑、信号传输及热传导的作用，确保焊点具有良好的机械支撑及电气连接性能对电子设备整机可靠性至关重要。随着封装尺寸的微型化，微互连焊点的尺寸持续减小。焊点尺寸的微型化导致其回流组装过程中的冶金行为、微观组织结构形成与演化发生明显的变化，特别是倒装芯片技术引起的电迁移使焊点界面反应及微观组织演化更加复杂。电子产品在服役过程中要承受越来越复杂的负载作用，如电场、温度场(热场)、应力场、磁场和潮湿环境以及多变载荷等。在上述多负载场耦合作用下，焊点的界面反应与微观组织演变愈来愈复杂，出现了原子迁移、晶须和焊点塌陷等现象，微互连焊点的可靠性特别是疲劳寿命受到极大影响。
目前，评价电子封装微互连焊点疲劳寿命的方法主要有两种，一种为有限元仿真。基于有限元仿真的评价方法一般基于微焊点基体材料的粘塑性特性进行分析，未能考虑焊点微观组织演变特别是尺寸微型化和电场作用对微互连焊点疲劳寿命的影响。另一种为基于IPC-9701A-2006(表面贴装焊接连接的性能测试方法和鉴定要求)的电阻变化监测法。IPC-9701A检测方法需要专门测试仪器，如事件检测器或数据记录器，且会受到尺寸微型化引起的微互连焊点成分、应力水平的变化影响，菊花链焊点串联电路测量的标准差以及导线接触点的电阻变化会对微互连焊点疲劳寿命产生误判。此外，基于IPC9701A-2006的微互连焊点疲劳寿命的电学评价方法不能有效定位缺陷焊点，不利于倒装微互连焊点结构及材料的设计优化。
综上所述，现有的评价电子封装微互连焊点疲劳寿命的方法容易产生误判，不能有效评估微互连焊点的疲劳寿命。
发明内容
本发明提供一种能有效评估微互连焊点的疲劳寿命的评价方法、装置和系统。
一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法，包括：
根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板；
将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点；
将最小单元菊花链互连结构固定在绝缘的硬质测试夹具上以形成对微互连焊点的应力约束；
将硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集最小单元菊花链互连结构的电参数，以根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命。
在其中一种实施方式中，在将最小单元菊花链互连结构固定在绝缘的硬质测试夹具上以形成对微互连焊点的应力约束的步骤之后，还包括：将多个最小单元菊花链互连结构使用导线串联得到菊花链串联电路；
将硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集最小单元菊花链互连结构的电参数，以根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命的步骤包括：将硬质测试夹具放置于应力测试环境中，采集菊花链串联电路的电参数，以根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命。
在其中一种实施方式中，根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板的步骤包括：
制备焊料；
根据待评价器件的焊点结构制备带测试结构的最小单元线路板，最小单元线路板包括焊盘和电路导线，最小单元线路板包括用于模拟待评价器件的高密度封装焊盘的第一最小单元线路板和PCB侧焊盘的第二最小单元线路板。
在其中一种实施方式中，将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点的步骤包括：
将焊料制成与待评价器件适配的焊球，使用高密度封装芯片植球工艺将焊球焊在第一最小单元线路板的焊盘上；
采用二次回流的方式将第二最小单元线路板与第一最小单元线路板组装形成最小单元菊花链互连结构，以形成第一最小单元线路板与第二最小单元线路板之间的微互连焊点。
在其中一种实施方式中，将硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集最小单元菊花链互连结构的电参数，以根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命的步骤包括：
将硬质测试夹具放置于应力测试环境中并将最小单元菊花链互连结构与稳压电源和多功能表连接；
调节电压并采集最小单元菊花链互连结构在电压突变时的电参数；
根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命。
本发明还提供一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置，包括绝缘的硬质测试夹具和最小单元菊花链互连结构，最小单元菊花链互连结构包括不同成分的焊料和分别包含焊料的最小单元线路板，最小单元线路板采用二次回流的方式组装成微互联焊点，最小单元菊花链互连结构固定于硬质测试夹具上，以通过硬质测试夹具形成对微互联焊点的应力约束。
在其中一种实施方式中，硬质测试夹具包括用于设置最小单元菊花链互连结构的夹具本体、分别位于夹具本体两端的接线柱、和用于连接最小单元菊花链互连结构和接线柱的导线。
在其中一种实施方式中，最小单元线路板包括模拟高密度封装焊盘的第一最小单元线路板和用于模拟PCB侧焊盘的第二最小单元线路板。
本发明还提供一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统，上述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置、及用于容置综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置以提供应力测试环境的应力环境设备。
在其中一种实施方式中，应力环境设备包括HALT试验箱或温度循环试验箱，综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统还包括与综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置串联的多功能表、与多功能表通过还包括GPIB总线接口连接的计算机、及与硬质测试夹具连接的电源。
该方法通过根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板，将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点，并使用硬质测试夹具固定最小单元菊花链互连结构，将硬质测试夹具放置于应力测试环境，通过采集最小单元菊花链互连结构的电参数从而评价微互连焊点的疲劳寿命。使用该方法能够有效的评估微互连焊点的疲劳寿命，可对不同的焊料的微互连焊点的疲劳寿命进行评价，还可对微互连焊点的结构和焊点成分进行优化计。通过比较各种焊料的微互连焊点的疲劳寿命可以确定效果最好的焊点结构和成分。
附图说明
图1为一种实施方式的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法；
图2为另一种实施方式的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法；
图3为一种实施方式的根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板的方法的流程图；
图4为一种实施方式的第一最小单元线路板的结构示意图；
图5为一种实施方式的第二最小单元线路板的结构示意图；
图6为一种实施方式的形成最小单元菊花链互连结构的方法的流程图；
图7为一种实施方式的最小单元菊花链互连结构的结构示意图；
图8为一种实施方式的菊花链串联电路的俯视图；
图9为一种实施方式的菊花链串联电路的侧视图；
图10为一种实施方式的采集电参数进行疲劳寿命评价的方法的流程图；
图11为一种实施方式的疲劳寿命评价的电路连接示意图。
具体实施方式
一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法，如图1所示，包括以下步骤：
S10：根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板。
具体的，根据待评价器件的参数制备适合的焊料和最小单元线路板。参数可参考待评价器件的技术资料。
S30：将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点。。
S50：将最小单元菊花链互连结构固定在绝缘的硬质测试夹具上以形成对微互连焊点的应力约束。
S70：将硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集最小单元菊花链互连结构的电参数，以根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命。
根据评价结果，可调整焊料的成分，并使用相同的方法评价其它成分焊料形成的微互连焊点的疲劳寿命，从而对微互连焊点的结构和材料进行优化计。通过比较各种成分焊料的微互连焊点的疲劳寿命可以确定效果最好的焊点结构和焊料成分。
该方法通过根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板，将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点，并使用硬质测试夹具固定最小单元菊花链互连结构，将硬质测试夹具放置于应力测试环境，通过采集最小单元菊花链互连结构的电参数从而评价微互连焊点的疲劳寿命。使用该方法能够有效的评估微互连焊点的疲劳寿命，可对不同成分的焊料的微互连焊点的疲劳寿命进行评价，从而对微互连焊点的结构和焊料成分进行优化设计。通过比较各种成分焊料的微互连焊点的疲劳寿命可以确定效果最好的焊点结构和焊料成分。
该方法还可用于对多菊花链结构微互连焊点的疲劳寿命进行评价，具体的，在步骤S50之后，还包括S60：将多个最小单元菊花链互连结构使用导线串联得到菊花链串联电路。
具体的，将多个最小单元菊花链互连结构使用导线串联，两端的导线分别接在硬质测试夹具的接线柱上。
步骤S70具体为：将硬质测试夹具放置于应力测试环境中，采集菊花链串联电路的电参数，以根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命。
电参数包括菊花链串联电路的总的电参数及菊花链串联电路中的最小单元菊花链互连结构的电参数，通过对电参数进行分析，能够快速的定位菊花链串联电路中有缺陷的微互连焊点。
具体的，如图3所示，步骤S10包括：
S11：制备焊料。
具体的，根据待评价器件的技术资料以及封装/组装工艺要求，进行焊点成分设计。考虑焊点成分及结构优化时，充分考虑了焊点外形轮廓对焊点疲劳寿命的影响，基于截球法和力平衡解析方程进行焊点尺寸设计。
S12：根据待评价器件的焊点结构制备带测试结构的最小单元线路板，最小单元线路板包括焊盘和电路导线，最小单元线路板包括用于模拟待评价器件的高密度封装焊盘的第一最小单元线路板和PCB侧焊盘的第二最小单元线路板。
具体的，针对待评价器件的焊点结构，设计带测试结构的最小单元线路板。最小单元线路板如图4和图5所示，包括焊盘101以及电路导线102，焊盘用于放置焊料形成焊点，焊盘和电路导线的设计参考IPC-9701A表面贴装锡焊件性能测试方法与鉴定要求和IPC-D-279高可靠表面安装印制板组装件技术设计导则。
第一最小单元线路板如图4所示，第二最小单元线路板如图5所示。无特殊要求情况下，本实施方式中的第一最小单元线路板的焊盘和第二最小单元线路板的焊盘，均为NSMD(非阻焊层限定)型。
第一最小单元线路板用于模拟高密度封装焊盘，第二最小单元线路板用于模拟PCB侧焊盘。如图5所示，第二最小单元线路板具有两个焊盘，两焊盘间距大于实际封装微互连焊点间距。
在另一种实施方式中，如图6所示，步骤S30包括：
S31：将焊料制成与待评价器件适配的焊球，使用高密度封装芯片植球工艺将焊球焊在第一最小单元线路板的焊盘上。
将焊料制成与待评价器件大小适配的焊球，使用高密度封装芯片植球工艺将焊球焊在第一最小单元线路板的焊盘上。
S32：采用二次回流的方式将第二最小单元线路板与第一最小单元线路板组装形成最小单元菊花链互连结构，以形成第一最小单元线路板与第二最小单元线路板之间的微互连焊点。
在将焊球焊在第一最小单元线路板的焊盘上后，采用二次回流的方式将第二最小单元线路板与第一最小单元线路板组状成如图7所示的最小单元菊花链互连结构，以形成第一最小单元线路板与第二最小单元线路板之间的微互连焊点。
在其它的实施方式中，如图8和图9所示，根据需要，将多个最小单元菊花链互连结构C用导线B进行串联，将两端的导线B接在测试夹具的接线柱A上以得到菊花链串联电路。
在另一种实施方式中，如图10所示步骤S70具体包括：
S71：将硬质测试夹具放置于应力测试环境中并将最小单元菊花链互连结构与稳压电源和多功能表连接。
具体的，如图11所示，将硬质测试夹具放置于应用测试环境中，在其它的实施方式中，也可以将菊花链串联电路放置于应力测试环境中，将测试夹具的四角通过定位螺钉固定，并将菊花链串联电路或最小单元菊花链互连结构与稳压电源和多功能表连接，多功能表通过GPIB总线接口与上位机连接，上位机采集并存储菊花链串联电路或最小单元菊花链互连结构，数据采集最小间隔为1s。应力测试环境包括HALT试验箱或温度循环试验箱。
该实施方式基于GPIB总线接口，通过计算机程序实现上位机与多功能表的通信，实现菊花链串联电路的电参数的数据采集和实时监控，该方法成本低，可利用网络资源和现有设备实现监测平台搭建。
S72：调节电压并采集最小单元菊花链互连结构在电压突变时的电参数。
调节电压并最小单元菊花链互连结构或采集菊花链串联电路在电压突变时的电参数，电参数包括电压和电阻等。
S73：根据电参数评价微互连焊点的疲劳寿命。
具体的，根据电参数突变的时间评价评价微互连焊点的疲劳寿命。
该方法采用监测最小单元菊花链互连结构或串联菊花链结构的电压突变进行微互连焊点疲劳寿命评价，测试结果不受测试电路的附属结构疲劳寿命变化的影响，如导线接触点、导线本身等。
该方法通过根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板，将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点，并使用硬质测试夹具固定最小单元菊花链互连结构，将硬质测试夹具放置于应力测试环境，通过采集最小单元菊花链互连结构的电参数从而评价微互连焊点的疲劳寿命。该方法不受测试电路的附属结构的疲劳寿命变化的影响，且电路结构简单，易于分析和缺陷定位，能够有效的评估微互连焊点的疲劳寿命。该方法可用于设计者及使用者直观评估封装微互连焊点的疲劳寿命，还可以基于微互连焊点的疲劳寿命测试数据，提取影响倒装芯片微互连焊点疲劳寿命的敏感参数，进行微互连焊点结构和材料优化设计。
本发明还提供一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置，如图9所示，包括绝缘的硬质测试夹具和最小单元菊花链互连结构，最小单元菊花链互连结构包括不同成分的焊料和分别包含焊料的最小单元线路板，最小单元线路板采用二次回流的方式组装成微互联焊点，最小单元菊花链互连结构固定于硬质测试夹具上，以通过硬质测试夹具形成对微互联焊点的应力约束。
通过该综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置，将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点，并使用硬质测试夹具固定最小单元菊花链互连结构，将硬质测试夹具放置于应力测试环境，通过采集最小单元菊花链互连结构的电参数从而评价微互连焊点的疲劳寿命。使用该装置能够有效的评估微互连焊点的疲劳寿命，可对不同的焊料的微互连焊点的疲劳寿命进行评价，从而对微互连焊点的结构和材料进行优化计。通过比较各种焊料的微互连焊点的疲劳寿命可以确定效果最好的焊点结构和材料。
在其中一种实施方式中，硬质测试夹具包括用于设置最小单元菊花链互连结构的夹具本体、分别位于夹具本体两端的接线柱D、和用于连接最小单元菊花链互连结构和接线柱的导线B。
在其中一种实施方式中，最小单元线路板包括模拟高密度封装焊盘的第一最小单元线路板和用于模拟PCB侧焊盘的第二最小单元线路板。
本发明还提供一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统，如图11所示，包括如上述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置、及用于容置综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置以提供应力测试环境的应力环境设备。
具体的，应力环境设备包括HALT试验箱或温度循环试验箱，综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统还包括与综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置串联的多功能表、与多功能表通过还包括GPIB总线接口连接的计算机、及与硬质测试夹具连接的电源。
通过该综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统，将焊料和最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点，并使用硬质测试夹具固定最小单元菊花链互连结构，将硬质测试夹具放置于应力测试环境，通过采集最小单元菊花链互连结构的电参数从而评价微互连焊点的疲劳寿命。使用该装置能够有效的评估微互连焊点的疲劳寿命，可对不同成分焊料的微互连焊点的疲劳寿命进行评价，从而对微互连焊点的结构和材料进行优化计。通过比较各种成分焊料的微互连焊点的疲劳寿命可以确定效果最好的焊点结构和材料。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法，其特征在于，包括：
根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板；
将所述焊料和所述最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点；
将所述最小单元菊花链互连结构固定在绝缘的硬质测试夹具上以形成对所述微互连焊点的应力约束；
将所述硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集所述最小单元菊花链互连结构电压突变时的电参数，以根据所述电参数突变的时间评价所述微互连焊点的疲劳寿命；
所述根据待评价器件制备焊料和最小单元线路板的步骤包括：
制备焊料；
根据待评价器件的焊点结构制备带测试结构的最小单元线路板，所述最小单元线路板包括焊盘和电路导线，所述最小单元线路板包括用于模拟所述待评价器件的高密度封装焊盘的第一最小单元线路板和PCB侧焊盘的第二最小单元线路板，所述焊盘用于放置所述焊料形成焊点。
2.根据权利要求1所述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法，其特征在于，在所述将所述最小单元菊花链互连结构固定在绝缘的硬质测试夹具上以形成对所述微互连焊点的应力约束的步骤之后，还包括：将多个所述最小单元菊花链互连结构使用导线串联得到菊花链串联电路；
所述将所述硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集所述最小单元菊花链互连结构电压突变时的电参数，以根据所述电参数突变的时间评价所述微互连焊点的疲劳寿命的步骤包括：将所述硬质测试夹具放置于应力测试环境中，采集所述菊花链串联电路电压突变时的电参数，以根据所述电参数突变的时间评价所述微互连焊点的疲劳寿命。
3.根据权利要求1所述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法，其特征在于，所述将所述焊料和所述最小单元线路板采用二次回流的方式组装成最小单元菊花链互连结构以形成微互连焊点的步骤包括：
将所述焊料制成与所述待评价器件适配的焊球，使用高密度封装芯片植球工艺将所述焊球焊在所述第一最小单元线路板的焊盘上；
采用二次回流的方式将所述第二最小单元线路板与所述第一最小单元线路板组装形成最小单元菊花链互连结构，以形成所述第一最小单元线路板与所述第二最小单元线路板之间的微互连焊点。
4.根据权利要求1所述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价方法，其特征在于，所述将所述硬质测试夹具放置于应力测试环境中并采集所述最小单元菊花链互连结构电压突变时的电参数，以根据所述电参数突变的时间评价所述微互连焊点的疲劳寿命的步骤包括：
将所述硬质测试夹具放置于应力测试环境中并将所述最小单元菊花链互连结构与稳压电源和多功能表连接；
调节电压并采集所述最小单元菊花链互连结构在电压突变时的电参数；
根据所述电参数突变的时间评价所述微互连焊点的疲劳寿命。
5.一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置，其特征在于：包括绝缘的硬质测试夹具和最小单元菊花链互连结构，所述最小单元菊花链互连结构包括不同成分的焊料和分别包含所述焊料的最小单元线路板，所述最小单元线路板采用二次回流的方式组装成所述微互联焊点，所述最小单元菊花链互连结构固定于所述硬质测试夹具上，以通过所述硬质测试夹具形成对所述微互联焊点的应力约束；所述最小单元线路板包括模拟高密度封装焊盘的第一最小单元线路板和用于模拟PCB侧焊盘的第二最小单元线路板，所述焊盘用于放置所述焊料形成焊点。
6.根据权利要求5所述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置，其特征在于：所述硬质测试夹具包括用于设置所述最小单元菊花链互连结构的夹具本体、分别位于夹具本体两端的接线柱、和用于连接所述最小单元菊花链互连结构和所述接线柱的导线。
7.一种综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统，包括如权利要求5-6中任意一项所述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置、及用于容置所述综合应用下微互连焊点的疲劳寿命评价装置以提供应力测试环境的应力环境设备。
8.根据权利要求7所述的综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统，其特征在于，所述应力环境设备包括HALT试验箱或温度循环试验箱，所述综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价系统还包括与所述综合应力下微互连焊点的疲劳寿命评价装置串联的多功能表、与所述多功能表通过还包括GPIB总线接口连接的计算机、及与所述硬质测试夹具连接的电源。
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2015
- 2015-12-11 CN CN201510924694.2A patent/CN105445328B/zh active Active
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