CN109916744A - 一种焊点与基板拉伸强度的检测方法和设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种焊点与基板拉伸强度的检测方法，包括：采用激光冲击法确定待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值；按照能量阈值采用PVDF装置获取能量阈值产生的冲击波的压力时空特性；根据压力时空特性及待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到冲击波的衰减及反射规律；根据衰减及反射规律获取焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据应力曲线获取焊点与基板之间的拉伸强度。可见，本申请提高了焊点与基板之间的拉伸强度获取的准确度。本申请同时还提供了一种焊点与基板拉伸强度的检测设备，具有上述有益效果。

Description

一种焊点与基板拉伸强度的检测方法和设备

技术领域

本申请涉及检测领域，特别涉及一种焊点与基板拉伸强度的检测方法和焊点与基板拉伸强度的检测设备。

背景技术

集成电路的球栅阵列封装是利用焊点作为板间互连的技术，其I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，焊点的使用可以提供更多的引脚数，可以提高芯片处理能力，其更高的间距，更好的引线刚性和回流工艺的自对准特性，已成为芯片级封装的主要技术。

在球栅阵列封装中，金属焊区内金属化合物的形成有助于保持焊料与下面的封装衬底和印刷电路板(PCB)金属焊盘之间的良好结合。在高温焊接环境下，金属焊区中金属化合物的过度增长会产生脆性界面，使焊点与基板的结合强度变差，同时金属化合物的热老化会在金属焊区形成空隙，使界面结合强度变差。芯片在使用过程中，金属焊区的热应力和热应变循环或热应力集中，常常造成焊点的界面结合强度变差，甚至发生焊点的脱层破坏，从而导致芯片的失效，甚至引发其它事故。目前对焊点结合强度的判定都是用拉伸实验测试其拉伸强度，由于焊点材料的弹性模量一般较小，在拉伸测试时易产生弹性及塑性变形，因此相关技术的焊点结合强度的准确性较低。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种焊点与基板拉伸强度的检测方法、焊点与基板拉伸强度的检测设备，能够提高测试结果的准确性。其具体方案如下：

本申请提供了一种焊点与基板拉伸强度的检测方法，包括：

采用激光冲击法确定待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值；

按照所述能量阈值采用PVDF装置获取所述能量阈值产生的冲击波的压力时空特性；

根据所述压力时空特性及所述待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到所述冲击波的衰减及反射规律；

根据所述衰减及反射规律获取所述焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据所述应力曲线获取所述焊点与所述基板之间的拉伸强度。

可选的，采用激光冲击法确定待测芯片样品焊点脱落时的能量阈值，包括：

根据所述激光冲击法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对所述待测芯片样品进行测试，判断所述焊点是否脱落；

若所述焊点脱落，则得到预设数目的初始能量阈值；

对所述预设数目的所述初始能量阈值进行平均值计算，得到能量阈值。

可选的，各个所述预设能量是初始能量值为0.25J，按照0.25J递增而得到的各个预设能量。

可选的，根据所述压力时空特性及所述待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到所述冲击波的衰减及反射规律，包括：

利用所述有限元根据所述待测芯片样品的尺寸进行建模，得到几何模型，并对所述几何模型进行离散化处理，得到有限元模型；

根据所述压力时空特性获取动态压力值；

输入所述待测芯片样品的物理性能参数；并对所述有限元模型在左边界施加对称约束、右边界施加位移约束、顶面边界施加所述动态压力值，以便进行数值模拟，得到所述冲击波的衰减及反射规律。

可选的，所述待测芯片样品包括：树脂塑封，焊点，设置在所述焊点的第一金属布线，设置在所述第一金属布线上的基板，设置在所述基板中心区域的导电胶，设置在所述导电胶上的芯片，设置在所述基板周围的第二金属布线，所述第二金属布线与所述芯片连接；其中，所述树脂塑封用于对所述第一金属布线、所述基板、所述导电胶、所述第二金属布线进行塑封。

本申请提供一种焊点与基板拉伸强度的检测设备，包括：

激光冲击装置，用于获取待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值；

PVDF装置，用于按照所述能量阈值采集所述能量阈值产生的冲击波的压力时空信息，以便根据所述压力时空信息获取所述压力时空特性；

与所述PVDF装置连接的处理器，用于根据所述压力时空特性及所述待测芯片样品的性能参数利用有限元建立数值模型，得到所述冲击波的衰减及反射规律；根据所述衰减及反射规律获取所述焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据所述应力曲线获取所述焊点与所述基板之间的拉伸强度。

可选的，所述PVDF装置包括PVDF传感器、垫具、PVDF并联电阻、示波器，其中，所述PVDF传感器是接触式传感器。

可选的，所述示波器是带宽1Ghz、采样率5GS/s、存储深度10M的示波器。

可选的，所述垫具是有机玻璃垫具。

本申请提供了一种焊点与基板拉伸强度的检测方法，包括：采用激光冲击法确定待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值；按照能量阈值采用PVDF装置获取能量阈值产生的冲击波的压力时空特性；根据压力时空特性及待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到冲击波的衰减及反射规律；根据衰减及反射规律获取焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据应力曲线获取焊点与基板之间的拉伸强度。

可见，本申请通过获取能量阈值并按照能量阈值采用PVDF装置获取压力时空特性，并根据压力时空特性进行有限元数值模拟，得到冲击波的衰减及反射规律以便得到应力历史曲线，进一步得到焊点与基板之间的拉伸强度，该方法中，激光冲击法可以抑制焊点的弹塑性行为及摩擦、收缩等因素的影响，提高了焊点与基板之间的拉伸强度获取的准确度。本申请同时还提供了一种焊点与基板拉伸强度的检测设备，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种焊点与基板拉伸强度的检测方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种待测芯片样品的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种数值模拟简化后的几何模型示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种焊点与基板拉伸强度的检测设备的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种激光冲击法测量能量阈值的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种冲击波压力时空特性测量装置；

图7为本申请实施例提供的一种冲击波压力时空特性曲线示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在常见的焊点结合强度的判定都是用拉伸实验测试其拉伸强度，由于焊点材料的弹性模量一般较小，拉伸测试易受焊点弹性及塑性变形的影响，因此相关技术的焊点结合强度的准确性较低。基于上述技术问题，本实施例提供一种焊点与基板拉伸强度的检测方法，通过获取能量阈值并按照能量阈值采用PVDF装置获取压力时空特性，并根据压力时空特性进行有限元数值模拟，得到冲击波的衰减及反射规律以便得到应力历史曲线，进一步得到焊点与基板之间的拉伸强度，提高了焊点与基板之间的拉伸强度获取的准确度，具体请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种焊点与基板拉伸强度的检测方法的流程图，具体包括：

S101、采用激光冲击法确定待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值。

本实施例利用激光冲击发确定待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值。对于待测芯片样品，请参考图2，图2为本申请实施例提供的一种待测芯片样品的结构示意图，包括：树脂塑封21，焊点28，设置在焊点28的第一金属布线，设置在第一金属布线上26-1的基板24，设置在基板24中心区域的导电胶23，设置在导电胶23上的芯片22，设置在基板24周围的第二金属布线26-2，第二金属布线26-2与芯片22连接；其中，树脂塑封25用于对第一金属布线26-1、基板24、导电胶23、第二金属布线26-2进行塑封。当然，待测芯片样品也可以包括其他组件，只要是能够实现本实施例的目的即可，本实施例不对各组件的类型即材质进行限定，用户可根据实际需求进行设置。

激光冲击法是用高能量、短脉冲的激光辐照材料表面的吸收层，在吸收层和约束层的共同作用下形成高压压缩应力波，并向材料内部传播。当应力波到达材料自由表面被反射后，会转变为拉伸应力波，拉伸应力波会与压缩应力波相互叠加，当叠加后的拉伸波应力强度超过材料的动态抗拉强度时，材料内部就会发生局部层裂现象。

进一步的，采用激光冲击法确定待测芯片样品焊点脱落时的能量阈值，具体包括：根据激光冲击法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对待测芯片样品进行测试，判断焊点是否脱落；若焊点脱落，则得到预设数目的初始能量阈值；对预设数目的初始能量阈值进行平均值计算，得到能量阈值。

本实施例不对预设能量进行限定，用户可根据实际情况进行设置。可以是设置用户自定义设置能量初始值直至能够得到能量阈值，也可以按照预设规则进行设置，只要是能够实现本实施例的目的即可。

进一步的，各个预设能量是初始能量值为0.25J，按照0.25J递增而得到的各个预设能量。

可以理解的是，多次激光冲击法的测试位置不同，以便能减少测试误差，都需要在焊点处进行激光冲击。可以是，以初始0.25J利用激光冲击法进行测试，当焊点未脱落时，则以0.5J利用激光冲击法进行测试，若焊点未脱落则，在利用0.75进行激光冲击法测试，直至焊点脱落，此时可以以焊点脱落时的能量作为能量阈值，也可以在焊点脱落后在进行预设次数的测试，在进行数值处理，得到能量阈值。用户可以根据实际需求进行确定能量阈值，本实施例不再进行限定。

S102、按照能量阈值采用PVDF装置获取能量阈值产生的冲击波的压力时空特性。

激光器按照能量阈值发射激光，采用PVDF装置测得能量阈值产生的冲击波时空特性。具体的方式可以是，在连接有并联电阻(30欧姆)、示波器(带宽1GHz，采样率5GS/s，储存深度10M)及同步触发器的PVDF传感器上(PVDF膜厚50微米，该PVDF已经在Hopkinson压杆装置上进行过标定)表面贴一层黑胶带，下表面垫一块厚3mm的有机玻璃垫具，再在黑胶带表面施加一层水流，采用光斑直径为3mm，脉宽设为8ns，能量为待测芯片样品的能量阈值的激光辐照黑胶带表面产生冲击波，按 进行处理即可得到压力随时间的变化的历程图，其中，t是时间；Q(t)是t时刻时PVDF压电膜上转移的电荷；R是并联电阻值；K是动态标定系数；A是PVDF压电膜的有效激活面积；P(t)是t时刻时PVDF压电膜上的压力。

由于冲击波在待测芯片样品两个表面不断地反射和透射，通过示波器可以记录到若干个电压峰值信号，但是对待测芯片样品起到层裂作用的一般只有第一个峰值，因此只取该冲击波的第一个峰值的压力与时间的历程曲线进行后续的工作。

S103、根据压力时空特性及待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到冲击波的衰减及反射规律。

具体的，材料性能参数包括物理性能参数和尺寸。根据压力时空特性及待测芯片样品的性能参数利用有限元建立数值模型，得到冲击波的衰减及反射规律具体包括：利用有限元根据待测芯片样品的尺寸进行建模，得到几何模型，并对几何模型进行离散化处理，得到有限元模型；根据压力时空特性获取动态压力值；输入待测芯片样品的力学性能参数；并对有限元模型在左边界施加对称约束、右边界施加位移约束、顶面边界施加动态压力值，以便进行数值模拟，得到冲击波的衰减及反射规律。

使用有限元对待测芯片样品进行简化建模，根据待测芯片样品的尺寸参数进行建模，得到几何模型，并对几何模型进行离散化处理，可以是对几何模型采用4节点轴对称单元进行合理密度的网格划分得到有限元模型。如图3所示，图3为本申请实施例提供的一种数值模拟简化后的几何模型示意图。其中，31是施加压力载荷、37是焊点与基板界面、32是树脂塑封、33是芯片、34是充银环氧树脂粘结剂(导电胶)、35是基板、36是金属布线、38是树脂封塑、39是金属焊区、30是焊点。

根据压力时空特性获取动态压力值，其中，动态压力值由压力时空特性对应的冲击波图中的第一个峰值的压力和时间确定。由于高应变率载荷和小应变，待测芯片样品的所有材料都被建模为符合胡克定律的线弹性变形，因此对有限元模型中的各几何块只需赋予相应待测芯片样品的各个材料的物理性能参数如密度、弹性模量、泊松比等。

对有限元模型的左边界施加对称约束、右边界施加位移约束、顶面边界施加动态压力值，进行显示分析求解，得到冲击波的衰减及反射规律。

S104、根据衰减及反射规律获取焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据应力曲线获取焊点与基板之间的拉伸强度。

根据衰减及反射规律获取焊点与基板界面的应力历史曲线，将应力历史曲线中的拉伸应力最高值作为焊点与基板界面的拉伸强度。

基于上述技术方案，本实施例获取能量阈值并按照能量阈值采用PVDF装置获取压力时空特性，并根据压力时空特性进行有限元数值模拟，得到冲击波的衰减及反射规律以便得到应力历史曲线，进一步得到焊点与基板之间的拉伸强度，提高了焊点与基板之间的拉伸强度获取的准确度。

本实施例提供一种测量芯片球栅阵列封装中焊点与基板伸强度的方法，包括以下步骤：

(1)待测芯片样品激光层裂能量阈值的确定。

在待测芯片样品的表面贴一层黑胶带，再在黑胶带表面施加一水层，将激光光斑直径设为3mm，脉宽设为8ns，能量从0.25J开始每次增加0.25J后对待测芯片样品利用激光冲击法进行激光冲击，直至发生层裂(焊点从基板脱落)，记下此时的激光能量，如果没有发生层裂，为避免疲劳效应则将激光束聚焦到新的点上进行激光冲击，重复以上步骤5次，去掉5次测量中激光能量的最大值和最小值，将剩余3个值的平均值作为该样品的激光层裂阈值即能量阈值。

(2)测量能量阀值产生冲击波的压力时空特性。

在连接有并联电阻(30欧姆)、示波器(带宽1GHz，采样率5GS/s，储存深度10M)及同步触发器的PVDF传感器上(PVDF膜厚50微米，该PVDF已经在Hopkinson压杆装置上进行过标定)表面贴一层黑胶带，下表面垫一块厚3mm的有机玻璃垫具，再在黑胶带表面施加一层水流，采用光斑直径为3mm，脉宽设为8ns，能量为待测芯片样品的能量阈值的激光辐照黑胶带表面产生冲击波，按以下公式进行处理即可得到压力随时间的变化的历程图。

t是时间；Q(t)是t时刻时PVDF压电膜上转移的电荷；R是并联电阻值；K是动态标定系数；A是PVDF压电膜的有效激活面积；P(t)是t时刻时PVDF压电膜上的压力。

(3)冲击波在待测样品中衰减及反射规律的数值模拟。

1、使用有限元对待测芯片样品进行简化建模，根据待测芯片样品的尺寸参数进行建模，得到几何模型，并对几何模型进行离散化处理，可以是对几何模型采用4节点轴对称单元进行合理密度的网格划分得到有限元模型。

2、有限元模型的材料属性施加。输入待测芯片样品的物理性能参数。由于高应变率载荷和小应变，待测芯片样品的所有材料都被建模为符合胡克定律的线弹性变形，因此对网络模型中的各几何块只需赋予相应待测芯片样品的各个材料的物理性能参数如密度、弹性模量、泊松比等。

3、有限元模型的边界条件及载荷的施加。有限元模型的左边界施加对称约束、右边界施加位移约束、顶面边界施加动态压力值，进行显示分析求解，得到冲击波的衰减及反射规律。

(4)焊点界面拉伸强度的确定。

从数值模拟后处理中获得焊料与基板界面处的应力历史曲线，将曲线中拉伸应力的最高值作为焊点与基板界面的拉伸强度。

下面对本申请实施例提供的一种焊点与基板拉伸强度的检测设备进行介绍，下文描述的焊点与基板拉伸强度的检测设备与上文描述的焊点与基板拉伸强度的检测方法可相互对应参照，参考图4，图4为本申请实施例所提供的一种焊点与基板拉伸强度的检测设备的结构示意图，包括：

激光冲击装置100，用于获取待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值。

图5为本申请实施例提供的一种激光冲击法测量能量阈值的示意图，其中，激光器51、激光束52、反射镜53、聚焦透镜54、水层55、黑胶带56、冲击波57、脱落焊点58。在待测芯片样品的表面贴一层黑胶带56，再在黑胶带56表面施加一水层，激光器51在预设能量下发射激光束52，激光束52经反射镜53反射，通过聚焦透镜54透过水层55汇聚到黑胶带56，在待测芯片样品内以冲击波57进行透射和反射，当预设能量达到能量阈值时，焊点会脱落，命名为脱落焊点58。

PVDF装置200，用于按照能量阈值采集能量阈值产生的冲击波的压力时空信息，以便根据压力时空信息获取压力时空特性；请参考图6，图6为本申请实施例提供的一种冲击波压力时空特性测量装置，其中，PVDF传感器61、有机玻璃垫具62、并联电阻63、示波器64。图7冲击波压力时空特性曲线示意图。

与PVDF装置连接的处理器300，用于根据压力时空特性及待测芯片样品的性能参数利用有限元建立数值模型，得到冲击波的衰减及反射规律；根据衰减及反射规律获取焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据应力曲线获取焊点与基板之间的拉伸强度。

在一些具体的实施例中，PVDF装置包括PVDF传感器、垫具、PVDF并联电阻、示波器，其中，PVDF传感器是接触式传感器。

在一些具体的实施例中，示波器是带宽1Ghz、采样率5GS/s、存储深度10M的示波器。

在一些具体的实施例中，垫具是有机玻璃垫具。

具体的，有机玻璃垫具具有较好的透明性、化学稳定性，力学性能和耐候性，外观优美等。

由于焊点与基板拉伸强度的检测设备部分的实施例与焊点与基板拉伸强度的检测方法部分的实施例相互对应，因此焊点与基板拉伸强度的检测设备部分的实施例请参见焊点与基板拉伸强度的检测方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种焊点与基板拉伸强度的检测方法，其特征在于，包括：

采用激光冲击法确定待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值；

按照所述能量阈值采用PVDF装置获取所述能量阈值产生的冲击波的压力时空特性；

根据所述压力时空特性及所述待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到所述冲击波的衰减及反射规律；

根据所述衰减及反射规律获取所述焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据所述应力曲线获取所述焊点与所述基板之间的拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的焊点与基板拉伸强度的检测方法，其特征在于，采用激光冲击法确定待测芯片样品焊点脱落时的能量阈值，包括：

根据所述激光冲击法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对所述待测芯片样品进行测试，判断所述焊点是否脱落；

若所述焊点脱落，则得到预设数目的初始能量阈值；

对所述预设数目的所述初始能量阈值进行平均值计算，得到能量阈值。

3.根据权利要求2所述的焊点与基板拉伸强度的检测方法，其特征在于，各个所述预设能量是初始能量值为0.25J，按照0.25J递增而得到的各个预设能量。

4.根据权利要求1所述的焊点与基板拉伸强度的检测方法，其特征在于，根据所述压力时空特性及所述待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到所述冲击波的衰减及反射规律，包括：

利用所述有限元根据所述待测芯片样品的尺寸进行建模，得到几何模型，并对所述几何模型进行离散化处理，得到有限元模型；

根据所述压力时空特性获取动态压力值；

输入所述待测芯片样品的物理性能参数；并对所述有限元模型在左边界施加对称约束、右边界施加位移约束、顶面边界施加所述动态压力值，以便进行数值模拟，得到所述冲击波的衰减及反射规律。

5.根据权利要求1所述的焊点与基板拉伸强度的检测方法，其特征在于，所述待测芯片样品包括：树脂塑封，焊点，设置在所述焊点的第一金属布线，设置在所述第一金属布线上的基板，设置在所述基板中心区域的导电胶，设置在所述导电胶上的芯片，设置在所述基板周围的第二金属布线，所述第二金属布线与所述芯片连接；其中，所述树脂塑封用于对所述第一金属布线、所述基板、所述导电胶、所述第二金属布线进行塑封。

6.一种焊点与基板拉伸强度的检测设备，其特征在于，包括：

激光冲击装置，用于获取待测芯片样品的焊点脱落时的能量阈值；

PVDF装置，用于按照所述能量阈值采集所述能量阈值产生的冲击波的压力时空信息，以便根据所述压力时空信息获取所述压力时空特性；

与所述PVDF装置连接的处理器，用于根据所述压力时空特性及所述待测芯片样品的材料性能参数利用有限元建立数值模型，得到所述冲击波的衰减及反射规律；根据所述衰减及反射规律获取所述焊点与基板界面的应力历史曲线，并根据所述应力曲线获取所述焊点与所述基板之间的拉伸强度。

7.根据权利要求6所述的焊点与基板拉伸强度的检测设备，其特征在于，所述PVDF装置包括PVDF传感器、垫具、PVDF并联电阻、示波器，其中，所述PVDF传感器是接触式传感器。

8.根据权利要求7所述的焊点与基板拉伸强度的检测设备，其特征在于，所述示波器是带宽1Ghz、采样率5GS/s、存储深度10M的示波器。

9.根据权利要求7所述的焊点与基板拉伸强度的检测设备，其特征在于，所述垫具是有机玻璃垫具。