CN112309882B - 三维集成器件焊接可靠性试验方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维集成器件焊接可靠性试验方法，属于电子元器件技术领域，包括以下步骤：确定植球应力敏感区域；获取第一菊花链；获取第二菊花链；获取第三菊花链；通过万用表分别测量第一菊花链、第二菊花链、第三菊花链的电阻值；将第一菊花链、第二菊花链、第三菊花链分别与监测仪器电连接进行电阻监测，并根据阻值变化范围判断顶层敏感植球、中间层敏感植球、底层敏感植球的焊接可靠性。本发明提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法，能够检测三维集成器件的植球焊接微小缺陷，操作简单、试验成本低。本发明还提供了一种用于进行上述三维集成器件焊接可靠性试验的三维集成器件焊接可靠性监测系统。

Description

三维集成器件焊接可靠性试验方法及监测系统

技术领域

本发明属于电子元器件技术领域，更具体地说，是涉及一种三维集成器件焊接可靠性试验方法及监测系统。

背景技术

BGA封装(Ball Grid Array Package，球栅阵列封装)结构极大地提高了产品集成密度，提高了芯片封装面积比，BGA封装结构承担着电气连接与机械连接的双重任务，然而由于其体积微小、焊接成形过程不可见，因此其焊接可靠性难以进行判断，从而使得采用BGA封装结构的三维集成器件的质量控制、可靠性检测和返修十分困难。

三维集成器件失效的最常见的方式是BGA封装焊接失效，目前，通常采用X-ray(X射线)技术进行缺陷定位，或者采用染色/切片等物理分析法对BGA植球焊点进行检测，从而发现焊接缺陷，这种方式不仅操作繁杂、成本高，而且只能够发现具有明显焊接缺陷或者变形较大的BGA植球焊点，无法准确发现缺陷微小或变形轻微但同样会影响焊接可靠性的BGA植球焊点，从而导致了三维集成器件的产品可靠性难以把控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维集成器件焊接可靠性试验方法及监测系统，旨在解决现有技术中对于三维集成器件的焊接可靠性检测难度大、微小焊接缺陷难以发现的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种三维集成器件焊接可靠性试验方法，包括以下步骤：

建立三维集成器件的几何模型，通过有限元仿真分析确定三维集成器件的各个叠层上的植球应力敏感区域，植球应力敏感区域以外的植球区域为植球应力可靠区域；

将顶层植球应力敏感区域内的各个顶层敏感植球对应的内部电路、中间层植球应力可靠区域内相应的中间层可靠植球对应的内部电路、底层植球应力可靠区域内相应的底层可靠植球对应的内部电路通过键合丝进行串联，并将相应的底层可靠植球与基板上相应的PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)布线进行焊接，获得第一菊花链；

将中间层植球应力敏感区域内的各个中间层敏感植球对应的内部电路、底层植球应力可靠区域内相应的底层可靠植球对应的内部电路通过键合丝进行串联，并将相应的底层可靠植球与基板上相应的PCB布线进行焊接，获得第二菊花链；

将底层植球应力敏感区域内的各个底层敏感植球对应的内部电路通过键合丝进行串联，并将相应的底层敏感植球与基板上相应的PCB布线进行焊接，获得第三菊花链；

通过万用表分别测量第一菊花链、第二菊花链、第三菊花链的电阻值；

将第一菊花链、第二菊花链、第三菊花链分别与监测仪器电连接进行电阻监测，并根据阻值变化范围判断顶层敏感植球、中间层敏感植球、底层敏感植球的焊接可靠性。

作为本申请另一实施例，第一菊花链的获得过程包括：

将与各个顶层敏感植球通过顶层TSV通道(Through Silicon Vias，穿过硅片通道)连接的各个顶层内部焊盘通过键合丝进行两两连接，获得多组顶层敏感植球检测单元；

将与顶层敏感植球通过中间层TSV通道连接的中间层内部焊盘、与顶层敏感植球对应的中间层可靠植球通过中间层TSV通道连接的中间层内部焊盘通过键合丝进行连接；

将与中间层可靠植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘、与中间层可靠植球对应的底层可靠植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘通过键合丝进行连接，获得各组顶层敏感植球检测单元的第一局部链；

将各个第一局部链与基板上相应的PCB布线进行焊接串联，获得第一菊花链。

作为本申请另一实施例，将第一菊花链与监测仪器电连接进行电阻监测包括：

用万用表依次测量各个第一局部链的电阻值；

将三维集成器件放置于测试箱内，依次开启测试箱的温变模式、湿度变化模式及振动模式；

实时监测第一菊花链两端、每组第一局部链两端的阻值变化。

作为本申请另一实施例，第二菊花链的获得过程包括：

将与各个中间层敏感植球通过中间层TSV通道连接的各个中间层内部焊盘通过键合丝进行两两连接，获得多组中间层敏感植球检测单元；

将与中间层敏感植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘、与中间层敏感植球对应的底层可靠植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘通过键合丝进行连接，获得各组中间层敏感植球检测单元的第二局部链；

将各个第二局部链与基板上相应的PCB布线进行焊接串联，获得第二菊花链。

作为本申请另一实施例，将第二菊花链与监测仪器电连接进行电阻监测包括：

用万用表依次测量各个第二局部链的电阻值；

将三维集成器件放置于测试箱内，依次开启测试箱的温变模式、湿度变化模式及振动模式；

实时监测第二菊花链两端、每组第二局部链两端的阻值变化。

作为本申请另一实施例，第三菊花链的获得过程包括：

将与各个底层敏感植球通过底层TSV通道连接的各个底层内部焊盘通过键合丝进行两两连接，获得多组第三局部链；

将各个第三局部链与基板上相应的PCB布线进行焊接串联，获得第三菊花链。

作为本申请另一实施例，将第三菊花链与监测仪器电连接进行电阻监测包括：

用万用表依次测量各个第三局部链的电阻值；

将三维集成器件放置于测试箱内，依次开启测试箱的温变模式、湿度变化模式及振动模式；

实时监测第三菊花链两端、每组第三局部链两端的阻值变化。

作为本申请另一实施例，植球应力敏感区域为各个叠层的边缘区域，边缘区域的宽度为各个叠层的边长的四分之一。

作为本申请另一实施例，根据阻值变化范围判断顶层敏感植球、中间层敏感植球、底层敏感植球的焊接可靠性包括：

若各个阻值变化范围保持在与其相应的电阻值的20％之内，则判断三维集成器件的焊接可靠；

若其中一个或多个阻值变化范围超出与其相应的电阻值的20％，则判断与其对应的菊花链失效，相应位置的敏感植球具有焊接缺陷。

本发明提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明三维集成器件焊接可靠性试验方法，通过有限元分析确定三维集成器件的植球应力敏感区域后，利用中间层植球应力可靠区域内的植球及其对应的内部电路作为桥梁，通过将各个叠层的植球应力敏感区域内的植球对应的内部电路采用键合丝进行两两连接，最终引至相应的底层可靠植球上，并与相应的PCB布线焊接形成菊花链，底层敏感植球对应的内部电路采用键合丝进行两两连接后，将底层敏感植球与相应的PCB布线焊接也形成菊花链，通过万用表能够测得各个菊花链的表测阻值，然后根据各个菊花链与监测仪器电连接后实时监测的阻值相对于表测阻值的变化范围，从而能够判断各个菊花链是否失效，进而能够体现相应的植球应力敏感区域内的敏感植球的焊接可靠性，植球焊接可靠性高，则阻值变化范围小，若植球焊接具有影响产品可靠性的缺陷，则阻值变化范围超标，因此能够及时发现微小焊接缺陷，利于对三维集成器件的可靠性进行准确把控，试验过程简单准确、成本低。

本发明还提供了一种三维集成器件焊接可靠性监测系统，包括测试箱、基板、数字电阻监测仪，以及上位机；其中，测试箱的内部设有加热台、振动台及加湿器；基板设于加热台和/或振动台上，用于承载上述三维集成器件焊接可靠性试验方法中所采用的三维集成器件，基板上设有分别用于与第一菊花链、第二菊花链、第三菊花链电连接的PCB布线；数字电阻监测仪设于测试箱的外部，与PCB布线电连接；上位机与数字电阻监测仪电连接。

本发明提供的三维集成器件焊接可靠性监测系统，能够对三维集成器件在温度应力、湿度应力以及机械应力三种应力状态下进行可靠性监测，利用数字电阻监测仪实时监测各个应力状态下的各个菊花链的阻值变化，并将监测数据上传至上位机进行分析判断，从而获得三维集成器件中各个叠层的敏感植球的温度应力可靠性、湿度应力可靠性、机械应力可靠性，检测全面准确，能够及时发现影响三维集成器件可靠性的微小缺陷，方便进行质量控制；由于具有实时检测功能，相较于现有技术中只能进行试验前后阻值测量对比的方式，能够实时获取三维集成器件在应力环境中的阻值变化情况，及时发现焊接缺陷，对于三维集成器件的焊接可靠性监测精准，从而能够避免出现大批量不合格产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法中采用有限元分析方法确定的植球应力敏感区域的示意图；

图3为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法所采用的三维集成器件的内部结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法所采用的三维集成器件的内部结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法所采用的三维集成器件的内部结构示意图三；

图6为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法获得的第一菊花链的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法获得的第二菊花链的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法获得的第三菊花链的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的三维集成器件焊接可靠性试验方法的流程框图；

图10为三维集成器件处于温变应力下的状态示意图。

图中：10、植球应力敏感区域；100、三维集成器件；101、顶层植球应力敏感区域；1011、顶层敏感植球；102、中间层植球应力敏感区域；1021、中间层敏感植球；103、底层植球应力敏感区域；1031、底层敏感植球；104、第一菊花链；1040、第一局部链；105、第二菊花链；1050、第二局部链；106、第三菊花链；1060、第二局部链；20、植球应力可靠区域；201、中间层植球应力可靠区域；2011、中间层可靠植球；202、底层植球应力可靠区域；2021、底层可靠植球；30、基板；301、PCB布线；302、高温接头；303、耐高温电缆；40、键合丝；501、顶层TSV通道；502、中间层TSV通道；503、底层TSV通道；60、测试箱；601、振动台；602、加热台；603、加湿器；701、振动传感器；702、温度传感器；703、湿度传感器；80、数字电阻监测仪；90、上位机。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图9，现对本发明提供的三维集成器件试验方法进行说明。所述三维集成器件试验方法，包括以下步骤：

步骤S1，确定植球应力敏感区域10：建立三维集成器件100的几何模型，通过有限元仿真分析确定三维集成器件100的各个叠层上的植球应力敏感区域10，植球应力敏感区域10以外的植球区域为植球应力可靠区域20；

步骤S2：获取第一菊花链104：将顶层植球应力敏感区域101内的各个顶层敏感植球1011对应的内部电路、中间层植球应力可靠区域201内相应的中间层可靠植球2011对应的内部电路、底层植球应力可靠区域202内相应的底层可靠植球2021对应的内部电路通过键合丝40进行串联，并将相应的底层可靠植球2021与基板30上相应的PCB布线301进行焊接，获得第一菊花链104；

步骤S3：获取第二菊花链105：将中间层植球应力敏感区域102内的各个中间层敏感植球1021对应的内部电路、底层植球应力可靠区域202内相应的底层可靠植球2021对应的内部电路通过键合丝40进行串联，并将相应的底层可靠植球2021与基板30上相应的PCB布线301进行焊接，获得第二菊花链105；

步骤S4：获取第三菊花链106：将底层植球应力敏感区域103内的各个底层敏感植球1031对应的内部电路通过键合丝40进行串联，并将相应的底层敏感植球1031与基板30上相应的PCB布线301进行焊接，获得第三菊花链106；

步骤S5：通过万用表分别测量第一菊花链104、第二菊花链105、第三菊花链106的电阻值；

步骤S6：将第一菊花链104、第二菊花链105、第三菊花链106分别与监测仪器电连接进行电阻监测，并根据阻值变化范围判断顶层敏感植球1011、中间层敏感植球1021、底层敏感植球1031的焊接可靠性。

需要说明的是，BGA封装结构的植球需要与各个叠层的底面焊盘进行焊接，而上层的植球需要与其相邻下方叠层的顶面焊盘焊接，从而通过植球将相邻层的内部电路网络连通；各个叠层内部的电路包括但不限于内部焊盘、内部电路网络以及TSV通道，其中TSV通道为连接内部焊盘和植球的桥梁，在同等机械应力、温度应力作用下，TSV通道和焊盘、键合丝40和焊盘之间的连接可靠性要远高于植球与焊盘之间的焊接稳定性，因此植球与焊盘之间的连接为整个菊花链的应力敏感位置(薄弱位置)，若菊花链失效，则判断为该应力敏感位置具有缺陷。

在此应当强调，在本实施例中三维集成器件100的中间层并非特指中间一层结构，在顶层和底层之间的叠层均为中间层，也就是说，中间层可以是一层，也可以是多层，中间层为多层结构时，应当按照本实施的思路将每层中的焊盘根据需要采用键合丝40进行连接，从而形成菊花链。

另外，应当理解，菊花链在温度、湿度或机械应力环境中会发生阻值变化，当阻值变化超出一定的范围时，则认为菊花链故障，而出现故障多是因为菊花链中的应力敏感位置具有缺陷，也就是说，植球与焊盘之间的焊接可靠性欠佳。

本发明提供的三维集成器件试验方法，与现有技术相比，本发明三维集成器件试验方法，通过有限元分析确定三维集成器件100的植球应力敏感区域10后，利用中间层植球应力可靠区域201内的植球及其对应的内部电路作为桥梁，通过将各个叠层的植球应力敏感区域10内的植球对应的内部电路采用键合丝40进行两两连接，最终引至相应的底层可靠植球2021上，并与相应的PCB布线301焊接形成菊花链，底层敏感植球1031对应的内部电路采用键合丝40进行两两连接后，将底层敏感植球1031与相应的PCB布线301焊接也形成菊花链，通过万用表能够测得各个菊花链的表测阻值，然后根据各个菊花链与监测仪器电连接后实时监测的阻值相对于表测阻值的变化范围，从而能够判断各个菊花链是否失效，进而能够体现相应的植球应力敏感区域10内的敏感植球的焊接可靠性，植球焊接可靠性高，则阻值变化范围小，若植球焊接具有影响产品可靠性的缺陷，则阻值变化范围超标，因此能够及时发现微小焊接缺陷，利于对三维集成器件100的可靠性进行准确把控，试验过程简单准确、成本低。

作为本发明提供的三维集成器件试验方法的一种具体实施方式，请参阅图3，第一菊花链104的获得过程包括：将与各个顶层敏感植球1011通过顶层TSV通道501连接的各个顶层内部焊盘通过键合丝40进行两两连接，获得多组顶层敏感植球1011检测单元；将与顶层敏感植球1011通过中间层TSV通道502连接的中间层内部焊盘、与顶层敏感植球1011对应的中间层可靠植球2011通过中间层TSV通道502连接的中间层内部焊盘通过键合丝40进行连接；将与中间层可靠植球2011通过底层TSV通道503连接的底层内部焊盘、与中间层可靠植球2011对应的底层可靠植球2021通过底层TSV通道503连接的底层内部焊盘通过键合丝40进行连接，获得各组顶层敏感植球1011检测单元的第一局部链1040；将各个第一局部链1040与基板30上相应的PCB布线301进行焊接串联，获得第一菊花链104。

具体参阅图6，第一局部链1040的路径为：PCB布线301-底层可靠植球A1-底层TSV通道B1-底层内部焊盘C1-键合丝D1-底层内部焊盘C2-底层TSV通道B2-中间层可靠植球E1-中间层TSV通道F1-中间层内部焊盘G1-键合丝H1-中间层内部焊盘G2-中间层TSV通道F2-顶层敏感植球J1-顶层TSV通道K1-顶层内部焊盘L1-键合丝M1-顶层内部焊盘L2-顶层TSV通道K2-顶层敏感植球J2-中间层TSV通道F3-中间层内部焊盘G3-键合丝H2-中间层内部焊盘G4-中间层TSV通道F4-中间层可靠植球E2-底层TSV通道B3-底层内部焊盘C3-键合丝D2-底层内部焊盘C4-底层TSV通道B4-底层可靠植球A2-PCB布线301。

通过设置第一局部链1040，再将各个第一局部链1040进行串联形成第一菊花链104，结构清晰，既能够通过监测第一菊花链104的整体阻值变化判断第一菊花链104是否发生故障，还能够在第一菊花链104发生故障时，通过测量各个第一局部链1040的阻值变化情况，从而定位故障发生的具体位置，从而能够找到具有焊接缺陷的植球，操作简单方便、定位准确可靠，从而能够控制三维集成器件100的产品质量。

在本实施例中，请参阅图1及图6，将第一菊花链104与监测仪器电连接进行电阻监测包括：用万用表依次测量各个第一局部链1040的电阻值；将三维集成器件100放置于测试箱60内，依次开启测试箱60的温变模式、湿度变化模式及振动模式；实时监测第一菊花链104两端、每组第一局部链1040两端的阻值变化。

能够对各个第一局部链1040的电阻值进行实时监测，当通过第一菊花链104的阻值变化确定第一菊花链104故障时，通过各个第一局部链1040的阻值变化能够快速找到故障具体位置，无需再针对每个第一局部链1040进行测量确认，从而能够对故障位置做出快速判断，缺陷植球的定位速度快，试验效率高；由于对三维集成器件100在温度应力变化、湿度应力变化以及机械应力变化三种模式下都进行了实时监测，监测数据全面，可靠性判断精准，利于控制并提高产品质量。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4，第二菊花链105的获得过程包括：将与各个中间层敏感植球1021通过中间层TSV通道502连接的各个中间层内部焊盘通过键合丝40进行两两连接，获得多组中间层敏感植球1021检测单元；将与中间层敏感植球1021通过底层TSV通道503连接的底层内部焊盘、与中间层敏感植球1021对应的底层可靠植球2021通过底层TSV通道503连接的底层内部焊盘通过键合丝40进行连接，获得各组中间层敏感植球1021检测单元的第二局部链1050；将各个第二局部链1050与基板30上相应的PCB布线301进行焊接串联，获得第二菊花链105。

具体参阅图7，第二局部链1050的路径为：PCB布线301-底层可靠植球A11-底层TSV通道B11-底层内部焊盘C11-键合丝D11-底层内部焊盘C12-底层TSV通道B12-中间层敏感植球E11-中间层TSV通道F11-中间层内部焊盘G11-键合丝H11-中间层内部焊盘G12-中间层TSV通道F12-中间层敏感植球E12-底层TSV通道B13-底层内部焊盘C13-键合丝D12-底层内部焊盘C14-底层TSV通道B14-底层可靠植球A12-PCB布线301。

通过设置第二局部链1050，再将各个第二局部链1050进行串联形成第二菊花链105，结构清晰，既能够通过监测第二菊花链105的整体阻值变化判断第二菊花链105是否发生故障，还能够在第二菊花链105发生故障时，通过测量各个第二局部链1050的阻值变化情况，从而定位故障发生的具体位置，从而能够找到具有焊接缺陷的植球，操作简单方便、定位准确可靠，从而能够控制三维集成器件100的产品质量。

应当说明的是，针对双层结构的三维集成器件100，应当视图4中的中间层为顶层，在三维集成器件100内按照图4及图5所示获取两条菊花链进行监测即可。

在本实施例中，请参阅图1及图7，将第二菊花链105与监测仪器电连接进行电阻监测包括：用万用表依次测量各个第二局部链1050的电阻值；将三维集成器件100放置于测试箱60内，依次开启测试箱60的温变模式、湿度变化模式及振动模式；实时监测第二菊花链105两端、每组第二局部链1050两端的阻值变化。

能够对各个第二局部链1050的电阻值进行实时监测，当通过第二菊花链105的阻值变化确定第二菊花链105故障时，通过各个第二局部链1050的阻值变化能够快速找到故障具体位置，无需再针对每个第二局部链1050进行测量确认，从而能够对故障位置做出快速判断，缺陷植球的定位速度快，试验效率高；由于对三维集成器件100在温度应力变化、湿度应力变化以及机械应力变化三种模式下都进行了实时监测，监测数据全面，可靠性判断精准，利于控制并提高产品质量。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5，第三菊花链106的获得过程包括：将与各个底层敏感植球1031通过底层TSV通道503连接的各个底层内部焊盘通过键合丝40进行两两连接，获得多组第三局部链1060；将各个第三局部链1060与基板30上相应的PCB布线301进行焊接串联，获得第三菊花链106。

具体参阅图8，第三局部链1060的路径为：PCB布线301-底层敏感植球A21-底层TSV通道B21-底层内部焊盘C21-键合丝D21-底层内部焊盘C22-底层TSV通道B22-底层敏感植球A22-PCB布线301。

通过设置第三局部链1060，再将各个第三局部链1060进行串联形成第三菊花链106，结构清晰，既能够通过监测第三菊花链106的整体阻值变化判断第三菊花链106是否发生故障，还能够在第三菊花链106发生故障时，通过测量各个第三局部链1060的阻值变化情况，从而定位故障发生的具体位置，从而能够找到具有焊接缺陷的植球，操作简单方便、定位准确可靠，从而能够控制三维集成器件100的产品质量。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图8，将第三菊花链106与监测仪器电连接进行电阻监测包括：用万用表依次测量各个第三局部链1060的电阻值；将三维集成器件100放置于测试箱60内，依次开启测试箱60的温变模式、湿度变化模式及振动模式；实时监测第三菊花链106两端、每组第三局部链1060两端的阻值变化。

能够对各个第三局部链1060的电阻值进行实时监测，当通过第三菊花链106的阻值变化确定第三菊花链106故障时，通过各个第三局部链1060的阻值变化能够快速找到故障具体位置，无需再针对每个第三局部链1060进行测量确认，从而能够对故障位置做出快速判断，缺陷植球的定位速度快，试验效率高；由于对三维集成器件100在温度应力变化、湿度应力变化以及机械应力变化三种模式下都进行了实时监测，监测数据全面，可靠性判断精准，利于控制并提高产品质量。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2，植球应力敏感区域10为各个叠层的边缘区域，边缘区域的宽度为各个叠层的边长的四分之一。

在此以处于温度应力环境中为例，请参阅图10，在热循环测试过程中，由于材料的热膨胀系数不同，温度变化过程导致组装结构产生应力，BGA植球结构往往是承受高应力的部分，在此以单层器件与PCB板的组装结构为例，器件和PCB之间通过BGA锡球阵列连接，器件结构主体是陶瓷，热膨胀系数较小，下层的PCB板是高聚物为主体的复合材料，热膨胀系数较大，在降温过程中，PCB板收缩比器件收缩更大，为了适应这样的变形，以边缘植球的变形为最大，因此边缘植球需要承受比中间区域植球更大的应力。

由于各个叠层之间通过植球与焊盘进行焊接连接，在各种应力环境条件中，处于各个叠层的边缘的植球相较于叠层中间部位的植球所受的应变作用力要大，因此更容易失效，焊接过程更容易出现轻微变形等缺陷，由于采用实物试验的成本巨大，因此经过对几何模型的有限元分析并得出结论，由叠层中心向四周延伸四分之一叠层边长的范围内的植球所受应力较小，对焊接质量的影响较小，焊接完成后的植球可靠性较高，因此，在此以该区域为植球应力可靠区域20，该区域外围的区域为植球应力敏感区域10，也就是容易发生植球焊接缺陷的区域。通过确定植球应力敏感区域10，能够针对性的检测相应区域内的植球焊接可靠性，避免无效作业(植球应力可靠区域20内的植球焊接可靠性是有保障的，因此对于该区域的植球可靠性检测没有意义，属无效作业)，从而能够减少试验工作量，降低试验成本，提高试验效率。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，根据阻值变化范围判断顶层敏感植球1011、中间层敏感植球1021、底层敏感植球1031的焊接可靠性包括：若各个阻值变化范围保持在与其相应的电阻值的20％之内，则判断三维集成器件100的焊接可靠；若其中一个或多个阻值变化范围超出与其相应的电阻值的20％，则判断与其对应的菊花链失效，相应位置的敏感植球具有焊接缺陷。

通过有限元分析数据和实践经验得出，以20％的变化范围作为判断菊花链是否故障的分界值是可靠的，也就是说，若菊花链的阻值变化范围处于其表测阻值的20％之内，则菊花链能够处于正常工作状态，各个植球的焊接可靠性均能够保证，若菊花链的阻值变化范围超过了其表测阻值的20％，那么在试验中认定该菊花链出现故障，相应位置的植球焊接应当具有缺陷。通过设定监测标准范围，从而能够快速判断菊花链故障，提高试验效率。

本发明还提供一种三维集成器件监测系统。请参阅图1至图8，所述三维集成器件监测系统，包括测试箱60、基板30、数字电阻监测仪80，以及上位机90；其中，测试箱60的内部设有加热台602、振动台601及加湿器603；基板30设于加热台602和/或振动台601上，用于承载上述三维集成器件试验方法中所采用的三维集成器件100，基板30上设有分别用于与第一菊花链104、第二菊花链105、第三菊花链106电连接的PCB布线301；数字电阻监测仪80设于测试箱60的外部，与PCB布线301电连接；上位机90与数字电阻监测仪80电连接。

本发明提供的三维集成器件监测系统，能够对上述三维集成器件试验方法中采用的三维集成器件100在温度应力、湿度应力以及机械应力三种应力状态下进行可靠性监测，利用数字电阻监测仪80实时监测各个应力状态下的各个菊花链的阻值变化，并将监测数据上传至上位机90进行分析判断，从而获得三维集成器件100中各个叠层的敏感植球的温度应力可靠性、湿度应力可靠性、机械应力可靠性，检测全面准确，能够及时发现影响三维集成器件100可靠性的微小缺陷，方便进行质量控制。

另外，由于传统的试验过程中无法对菊花链的电阻进行实时监测，只能够针对试验前后的电阻对比进行判断，但是研究表明，对于一些轻微的焊接缺陷，当处于温度应力环境中时，菊花链的监测电阻会出现超标现象，而当恢复常温状态时，监测电阻又能够恢复标准区间，而由于三维集成器件100在工作过程中通常是处于温变应力环境中的，因此会导致三维集成器件100无法正常工作，但是又无法监测得知失效原因的现象，尤其在批量成产中无法及时发现这类产品，具有极大的质量隐患，而采用本监测系统由于能够对菊花链的阻值变化进行实时监测，因此能够得到更加准确的试验数据，提升对三维集成器件的质量控制能力，避免出现大量不合格产品。

作为本发明提供的三维集成器件监测系统的一种具体实施方式，参阅图1，三维集成器件监测系统还包括控制器，控制器设于测试箱60外部，且与上位机90电连接；加热台602设于振动台601的台面上，基板30设于加热台602上，加热台602、振动台601及加湿器603分别与控制器电连接；加热台602上设有与控制器电连接的温度传感器702，振动台601上设有与控制器电连接的振动传感器701，测试箱60内还设有湿度传感器703；基板30上设有与PCB布线301电连接的耐高温接头302，数字电阻监测仪80与耐高温接头302通过耐高温电缆303电连接。

加热台602设置在振动台601上，基板30设置在加热台602上，既能够通过单独开启振动台601进行振动应力条件下的可靠性监测，又能够单独开启加热台602进行温度应力条件下的可靠性监测，还能够同时开启振动台601和加热台602进行温度和机械振动双重应力下的可靠性监测，同时也可以根据实际需要开启或关闭加湿器603，从而使测试箱60内的湿度满足试验需求，使用灵活方便；通过操作上位机90向控制器发出指令，从而能够控制加热台602、振动台601及加湿器603的启闭，实现三维集成器件100在不同应力环境中的监测，操作方便简单，在各个模式下的监测过程中，通过温度传感器702、湿度传感器703、振动传感器701实时检测测试箱60内部的具体应力环境，从而能够获得不同应力条件下的菊花链的阻值变化情况，以及阻值变化情况与应力数据之间的关系，方便对产品可靠性进行准确判断。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立三维集成器件的几何模型，通过有限元仿真分析确定所述三维集成器件的各个叠层上的植球应力敏感区域，所述植球应力敏感区域以外的植球区域为植球应力可靠区域；

将顶层植球应力敏感区域内的各个顶层敏感植球对应的内部电路、中间层植球应力可靠区域内相应的中间层可靠植球对应的内部电路、底层植球应力可靠区域内相应的底层可靠植球对应的内部电路通过键合丝进行串联，并将相应的所述底层可靠植球与基板上相应的PCB布线进行焊接，获得第一菊花链；

将中间层植球应力敏感区域内的各个中间层敏感植球对应的内部电路、底层植球应力可靠区域内相应的底层可靠植球对应的内部电路通过键合丝进行串联，并将相应的所述底层可靠植球与基板上相应的PCB布线进行焊接，获得第二菊花链；

将底层植球应力敏感区域内的各个底层敏感植球对应的内部电路通过键合丝进行串联，并将相应的所述底层敏感植球与基板上相应的PCB布线进行焊接，获得第三菊花链；

通过万用表分别测量所述第一菊花链、所述第二菊花链、所述第三菊花链的电阻值；

将所述第一菊花链、所述第二菊花链、所述第三菊花链分别与监测仪器电连接进行电阻监测，并根据阻值变化范围判断所述顶层敏感植球、所述中间层敏感植球、所述底层敏感植球的焊接可靠性。

2.如权利要求1所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，所述第一菊花链的获得过程包括：

将与各个所述顶层敏感植球通过顶层TSV通道连接的各个顶层内部焊盘通过键合丝进行两两连接，获得多组顶层敏感植球检测单元；

将与所述顶层敏感植球通过中间层TSV通道连接的中间层内部焊盘、与所述顶层敏感植球对应的所述中间层可靠植球通过中间层TSV通道连接的中间层内部焊盘通过键合丝进行连接；

将与所述中间层可靠植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘、与所述中间层可靠植球对应的所述底层可靠植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘通过键合丝进行连接，获得各组所述顶层敏感植球检测单元的第一局部链；

将各个所述第一局部链与基板上相应的PCB布线进行焊接串联，获得所述第一菊花链。

3.如权利要求2所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，将所述第一菊花链与监测仪器电连接进行电阻监测包括：

用所述万用表依次测量各个所述第一局部链的电阻值；

将所述三维集成器件放置于测试箱内，依次开启所述测试箱的温变模式、湿度变化模式及振动模式；

实时监测所述第一菊花链两端、每组所述第一局部链两端的阻值变化。

4.如权利要求1所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，所述第二菊花链的获得过程包括：

将与各个所述中间层敏感植球通过中间层TSV通道连接的各个中间层内部焊盘通过键合丝进行两两连接，获得多组中间层敏感植球检测单元；

将与所述中间层敏感植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘、与所述中间层敏感植球对应的所述底层可靠植球通过底层TSV通道连接的底层内部焊盘通过键合丝进行连接，获得各组所述中间层敏感植球检测单元的第二局部链；

将各个所述第二局部链与基板上相应的PCB布线进行焊接串联，获得所述第二菊花链。

5.如权利要求4所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，将所述第二菊花链与监测仪器电连接进行电阻监测包括：

用所述万用表依次测量各个所述第二局部链的电阻值；

将所述三维集成器件放置于测试箱内，依次开启所述测试箱的温变模式、湿度变化模式及振动模式；

实时监测所述第二菊花链两端、每组所述第二局部链两端的阻值变化。

6.如权利要求1所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，所述第三菊花链的获得过程包括：

将与各个所述底层敏感植球通过底层TSV通道连接的各个底层内部焊盘通过键合丝进行两两连接，获得多组第三局部链；

将各个所述第三局部链与基板上相应的PCB布线进行焊接串联，获得所述第三菊花链。

7.如权利要求6所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，将所述第三菊花链与监测仪器电连接进行电阻监测包括：

用所述万用表依次测量各个所述第三局部链的电阻值；

将所述三维集成器件放置于测试箱内，依次开启所述测试箱的温变模式、湿度变化模式及振动模式；

实时监测所述第三菊花链两端、每组所述第三局部链两端的阻值变化。

8.如权利要求1所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，所述植球应力敏感区域为各个叠层的边缘区域，所述边缘区域的宽度为各个叠层的边长的四分之一。

9.如权利要求1-8任一项所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法，其特征在于，根据阻值变化范围判断所述顶层敏感植球、所述中间层敏感植球、所述底层敏感植球的焊接可靠性包括：

若各个阻值变化范围保持在与其相应的电阻值的20％之内，则判断所述三维集成器件的焊接可靠；

若其中一个或多个阻值变化范围超出与其相应的电阻值的20％，则判断与其对应的菊花链失效，相应位置的敏感植球具有焊接缺陷。

10.三维集成器件焊接可靠性监测系统，其特征在于，包括：

测试箱，内部设有加热台、振动台及加湿器；

基板，设于所述加热台和/或所述振动台上，用于承载如权利要求1-9任一项所述的三维集成器件焊接可靠性试验方法中所采用的三维集成器件，所述基板上设有分别用于与所述第一菊花链、所述第二菊花链、所述第三菊花链电连接的PCB布线；

数字电阻监测仪，设于所述测试箱的外部，与所述PCB布线电连接；

上位机，与所述数字电阻监测仪电连接。

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