基于云纹干涉法的封装结构应变测量技术研究.pdf

40卷第11期2023年11月引用格式：侯传涛，程昊，张跃平基于云纹干涉法的封装结构应变测量技术研究J.微电子学与计算机，2 0 2 3，40(11)：143-148.HOU C T,CHENG H,ZHANG Y P.Research on strain measurement of package structure based on moireinterferometry J.Microelectronics&Computer,2023,40(11):143-148.JD0I:10.19304/J.ISSN1000-7180.2023.0657摘要：随着高密度、高集成度封装技术的发展，封装结构的可靠性问题备受关注.本文基于云纹干涉法和Twyman/Green干涉法，结合四步相移技术，建立了一套高精度三维光学测量方法，能够实现封装结构在力、热载荷下离面和面内的变形测量.进一步采用多项式拟合后求导的方法,提升了传统差分法求应变的测量精度.最后通过标准试验件三点弯曲实验,验证了方法的测量精度,并通过该方法实现了典型球栅阵列(BallGrid Array,BGA)封装结构在热载荷下的变形测量，测量结果与有限元仿真结果相比具有较好的一致性。本文基于光测力学方法获得了封装结构在力、热等载荷下的变形场和应变场，从而对提升封装结构的可靠性具有重要意义关键词：干涉方法；变形测量；应变测量；封装结构；封装可靠性中图分类号：TN406Research on strain measurement of package structure based on(Science and Technology on Reliability and Environment Engineering Laboratory,Beijing Institute of Structure andAbstract:With the development of high density and high integration packaging technology,the reliability of packagingstructure has attracted much attention.In this paper,a compact and high sensitivity 3D optical testing method is constructedby effective combination of Moire interferometry with Twyman/Green interferometry and by implementing phase shifingtechnique.In order to further improve the stain accuracy,the discrete deformation field obtained by the phase shifingtechnology is fitted with polynomial,and then the derivation is realized.The measurement accuracy of the method isverified by the three-point bending experiment of the standard test piece,and the deformation of the typical Ball GridArray(BGA)package structure under thermal load is finally measured.The deformation and strain information of packagestructure under thermal and force loads can be obtained by the method,which is of great significance to improve thereliability of package structure.Key words:interferometry method;deformation measurement;strain measurement;package structure;packagereliability微电子学与计算机http:/MICROELECTRONICS&COMPUTER基于云纹干涉法的封装结构应变测量技术研究侯传涛，程昊，张跃平（北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京10 0 0 7 6)文献标识码：A文章编号：10 0 0-7 18 0(2 0 2 3)11-0 143-0 6moire interferometryHOU Chuantao,CHENG Hao,ZHANG YuepingEnvironment Engineering,Beijing 100076,China)Vol.40No.11November 2023包括对芯片的机械支撑、保护芯片避免受到外界载1引言荷环境的影响、为芯片工作提供必要的电信号、并电子封装是电子产品研制中的重要环节,其作用将其工作时产生的热量及时导出等.封装结构一般收稿日期：2 0 2 3-0 8-2 2；修回日期：2 0 2 3-10-15基金项目：国家自然科学基金资助项目（12 0 0 2 0 56)144由多种材料组成,因相互之间的热膨胀系数相差较大,容易在封装件内部产生比较严重的热应力和翘曲变形,进而导致一系列的失效行为,因此,封装的可靠性对电子产品至关重要封装结构可靠性评估一般通过环境试验箱的可靠性试验或有限元仿真来开展.可靠性试验能够评估寿命,但是却不能获得封装结构变形的信息.采用有限元仿真分析虽然能够获得封装结构的应力/应变分布,但是却难以准确表征各类非线性因素,因此,分析的准确性还需要进一步的验证。若通过测量手段获得封装结构在热、力等载荷下的变形场和应力场，不仅能够为有限元仿真结果提供验证数据,还能帮助找出封装结构强度上的危险点和可能的失效部位,进而为封装结构的优化提供依据,因此,对于提升封装结构可靠性具有十分重要的意义.但是由于封装结构尺寸较小，传统的应变片等接触式测量方法并不适用.非接触式测量方法以光测力学方法为主,主要包括云纹干涉法、Twyman/Green千涉法、数字图像相关法、影像云纹法等.影像云纹法分辨率较低(约数十微米),主要用于印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)的翘曲变形测试;数字图像相关法最大优势是设备和操作简单，主要缺点是原始分辨率低,不能实时测试;云纹干涉法2-4 在封装结构测量方法应用最早也最广它的优点是分辨率高、条纹信噪比高、实时性好.其典型的原始分辨率为417 nm/条纹,借助于相移法,分辨率还可以提高约100倍.Ratanawilai等人对云纹干涉法和应变片测量精度进行了对比,通过一系列典型材料热膨胀系数的测量予以验证5在电子封装领域,Guo 等人最早将云纹干涉方法用于封装焊点的测量中,针对陶瓷球栅阵列(CeramicBallGridArray,CBGA)封装结构,测量了陶瓷盖板和PCB,由于热膨胀系数不匹配而在焊点处产生剪切变形,结果表明最大应变发生在最外侧.随后,针对封装结构在高低温环境下的热变形学者们开展了大量研究7-12 1:Stout等人针对手机在使用过程中可能面临的静力载荷,及其导致的封装焊点潜在的疲劳失效问题,搭建了微机械加载装置,并通过云纹干涉的方法，获得了塑料球栅阵列(Plastic Ball Grid Array,PBGA)封装焊点在四点弯作用下的变形7;Cho等人采用云纹干涉法实时观测了CBGA封装结构在热循环载荷下的变形及蠕变等非线性现象;Ye等人采用云纹干涉方法测量了BGA封装焊点的电应力场2 但是云纹干涉法是测量试验件面内变形场的一微电子学与计算机种光学方法,其无法获得离面变形信息,为了解决该问题,本文将测量翘曲变形的Twyman/Green干涉法引入,将两套光学系统的光路集成在一起,实现光路的相辅相成,试验件表面光栅产生的1级衍射光用于云纹干涉子系统面内变形场的测试,其零级衍射光可以作为Twyman/Green子系统的反射光使用.为了进一步提升测量精度,采用了四步相移方法,并将获得的变形场通过多项式拟合,通过对拟合后的多项式求导获得结构的应变场,该方法提升了传统差分法求应变的测量精度.最后,通过标准试验件三点弯曲实验,验证了方法的测量精度,并通过该方法实现了典型BGA封装结构在热载荷下的变形测量,测量结果与有限元仿真结果相比具有较好的一致性.该方法的建立对提升封装结构的可靠性具有重要的意义.2干涉测量基本理论2.1云纹干涉法的原理云纹干涉法主要测量试验件面内的变形,其原理是：在被测试验件表面布置光栅，令两束准直光B1和B2对称入射被测试件的光栅,从而沿试验件表面法向产生土1级衍射光波.当试验件未受力时，两束衍射光波为平面光波；当试验件受力变形后，两束光波相互干涉,从而在成像系统上产生干涉条纹,每条干涉条纹为等位移线，依据干涉条纹即可获得试验件沿x和 方向的变形情况,即：(1)式中,f为被测试验件上的光栅频率;N和N,分别为x和y方向干涉条纹的级数.2.2Twyman/Green 干涉法的原理Twyman/Green法主要测量试验件离面的变形,其原理与云纹干涉类似,也是一种双光束干涉技术.在Twyman/Green干涉方法中,人射平面波被分成wi和wz两部分，其中wi用于参考光，W2承载了试验件表面的变形信息,当试验件发生离面变形时,其反射光w与w相互干涉,产生干涉条纹,其代表的离面变形量为：W=N x(/2)式中,为光波波长;AN为干涉条纹级数的变化量.2.3四步相移法本文采用四步相移法提升变形的测量精度,所获得的4幅条纹图可表示为：Ii=a(x,y)+b(x,y)cosd(x,y)I2=a(x,y)-b(x,y)sind(x,y)2023年(2)(3)(4)第11期Is=a(x,y)-b(x,y)cosd(x,y)I4=a(x,y)+b(x,y)sind(x,y)进而得到相位场(x,y)为：14(x,y)-12(x,y)d(x,y)=arctanI(x,y)-I3(x,y)2.4应变的计算光学干涉法的直接结果通常是位移场或相位差场,应变场的获取通常需要通过数值微分,即差分的方法处理，获得任意点的变形：U1(oU)8x=x8x1(oU)可yyUoV1(oUxy=十xyxy但是数值微分方法的精度较低,尽管随着数字图像处理技术的发展,采用相移技术提高了位移场的测试分辨率,提供了做数值微分运算更多的样本点,并且在一定程度上提高了应变计算的精度,但这种算法一般认为精度还是不高.为了得到光滑的应变场,本文先对经相移技术得到的离散的位移场进行5次多项式拟合,再对多项式进行求导,从而得到试验件的应变场.3基于云纹与Twyman/Green干涉方法的测量技术将云纹干涉与Twyman/Green干涉方法相结合，准直光在试验件表面光栅上产生的1级衍射光用于云纹干涉子系统面内变形场的测试,产生的零级衍射光作为Twyman/Green子系统的反射光使用,结合加载及工装等装置,组成了封装结构三维应变测量平台,如图1所示.其中光学集成箱体是核心部分,里面集成了云纹干涉光路和Twyman/Green干涉光路.光学集成箱1V场反光镜U场反光镜加热器栅侯传涛，等：基于云纹干涉法的封装结构应变测量技术研究(5)面内测试精度分析本文首先采用三点弯曲实验对上述测量方法进(6)行测试精度评价.试验件选用10 0 mm10mm5mm的6 0 6 1铝材梁,该型铝材的弹性模量为6 9GPa,泊松(7)比为0.3.试验前先在10 0 mm10mm的试件表面进行光栅转移,然后将试件置于三点弯曲的加载架上，加载架的两个支点间的跨度为6 0 mm,加载架的下方放置S型力传感器，如图2 所示.(8)(9)(10)分光棱镜准直透镜W场反光镜条纹小反光镜光纤维输出端1453.1试件及光栅60mm力传感器图2 三点弯曲试件及加载架Fig.2 Specimen and loading frame of three-point bending test图3和图4分别给出了17 5N载荷下实测的U场和V场的干涉条纹,即反映了x方向和y方向的变形情况.图317 5N载荷下实测的U场Fig.3 U field fringe pattern under 175 N(measurement)相机及调节架加热器控制器气浮平台气泵图1基于云纹与Twyman/Green干涉方法的图417 5N载荷下实测的V场测量平台示意图Fig.4 V field fringe pattern under 175 N(measurement)Fig.1 The configuration of the measurement system of moireinterferometry and Twyman/Green interferometry为了验证测试精度,依据实际加载情况,开展了146有限元仿真分析,结果如图5和图6 所示.将仿真与测试结果进行对比,可见两者具有较好的一致性,对于U场、V场,两者最大偏差分别为5.9%和6.3%.微电子学与计算机然条纹基本上等间距，但是条纹的平直度不佳,这是由于透镜的像差导致了非理想的NULL场造成的.2023年图517 5N载荷下U场仿真结果Fig.5 U field fringe pattern under 175 N(simulation)图8 平面镜倾斜后的条纹场Fig.8 Fringe pattern after plane mirrors tilt4典型BGA封装结构测量试验本文进一步针对典型BGA封装结构开展实测分析,BGA模型如图9 所示,结构包含硅芯片、塑封图6 17 5N载荷下V场仿真结果Fig.6 V field fringe pattern under 175 N(simulation)在变形数据的基础上进一步分析得到应变场,处理方法通常是采用数值微分(差分),该方法虽然处理简单,但有比较严重的跳变,结果不够光滑.本文采用先对位移场数据进行多项式拟合,再对拟合函数求导的方法获得应变场,该方法得到的应变数据比较光滑,但空间跨度大了之后,数据走势容易偏离.图7 分别给出了铝梁通过差分和拟合求导算法获得的应变8结果.可以看出,与差分的方法相比,拟合求导的方法误差较小，但是数据走势与仿真结果略有偏离.-25031/300-350-400-450-5000图7 的精度验证结果Fig.7Accuracy ofexr3.2离面测试精度分析本文采用平面标本,通过测试W场的NULL场，评估W场测试精度.试验中,选择美国Newport公司的平面镜（标称平面度优于/10,入=6 32 nm)为样本,将上述平面镜轻微倾斜,理论上得到的条纹应该是一组平行且等间距的直条纹,实际结果如图8 所示.虽密封层、基板铅锡焊点以及PCB电路板.塑封芯片尺寸为10 mm10mm0.9mm,PCB电路板尺寸为12 mm12 mm 1.55 mm,焊球直径为0.5mm.硅芯片、基板一图9电路板剖面结构示意图Fig.9 Printed circuit board profile将电路板沿中心线切割,为保证测量精度,横截面应光滑且平整,采用环氧胶将标准光栅转移到电路板横截面处,要求光栅均匀平整覆盖待测表面上,无划痕和杂纹.之后放置在加热炉中.调整水平方向的干涉光路，获得NULL场.将电路板从2 5加热至一一仿真数据一一拟登数据一差分数据24位置/mm塑封密封层一铅锡焊点PCB板50时可以看见电路板横截面处有明显的明暗相间的干涉条纹,如图10 所示,从图中可以看出,共有68101213个暗条纹,干涉光源的波长为417 nm,经计算可以得出图10 中的横向最大相对位移为0.0 0 542 mm.图10 50 下电路板横截面干涉条纹测量结果Fig.10 Fringe pattern of printed circuit board under 50(measurement)第11期进一步,建立 BGA封装结构的有限元模型,赋予各部件线弹性材料参数,包括弹性模量、泊松比和热膨胀系数,施加2 5 50 变化的温度场,经过有限元计算,在50 下横截面的位移云图如图11所示,其横向最大相对位移为0.0 0 536 mm,可见仿真结果与实验结果具有较好的一致性,且分布趋势一致.U.U21图1150 下电路板横截面横向位移云图仿真结果Fig.11 Fringe pattern of printed circuit board under 50(simulation)在面内测量的基础上,进一步测量了离面变形,通过调整W场干涉光路,使被测表面垂直于光路,再次将电路板从2 5加热至50,观测到电路板的塑封芯片横截面处有明显的明暗相间的干涉条纹,经计算塑封芯片的离面位移为0.0 0 0 8 34mm,与仿真结果 0.0 0 0 8 52 mm 接近.因此,通过上述方法建立的封装结构测量技术，可以有效获得微小封装结构在热、力等载荷下的变形、应变数据,这对于提升封装结构可靠性具有重要的意义.5结束语通过光测力学方法获得封装结构的变形、应变等信息，对于其可靠性评估具有重要意义.本文基于云纹干涉法和 Twyman/Green干涉法,结合四步相移技术,提出了一套高精度三维光学测量方法，能够实现封装结构在力、热载荷下离面和面内的变形测量.进而采用先对经相移技术得到的离散的位移场进行多项式拟合,再对多项式进行求导的方法,得到试验件光滑的应变场.最后，通过标准试验件三点弯曲实验,验证了方法的测量精度,并通过该方法实现了典型BGA封装结构在热载荷下的变形测量,研究成果对于提升封装结构可靠性具有重要的意义.(1)云纹干涉法是测量试件面内变形场的一种光学方法,Twyman/Green干涉法是测量试件翘曲变形的光学方法.将两套光学系统的光路集成在一起，实现光路的相辅相成,试验件表面光栅产生的土1级衍射光用于云纹干涉子系统面内变形场的测试,其零级衍射光可以作为Twyman/Green子系统的反射光使用.侯传涛，等：基于云纹干涉法的封装结构应变测量技术研究0309324011512568.5 FRATANAWILAI B T,HUNTER B,SUBBARAYANG,et al.A study on the variation of effective CTE ofprinted circuit boards through a validated comparisonbetween strain gages and moire 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