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用数字图像相关法确定BGA翘曲

捕捉电子元件对模拟热、热机械和机械负荷的响应的一种重要技术。

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数字图像相关(DIC)是一种非接触、全视场位移光学测量技术。它通常用于以下应用:

  • 材料表征
    • 热膨胀系数(CTE)
    • 玻璃化转变温度
    • 杨氏模量
    • 泊松比
  • 疲劳和失败的样本测试
    • 现场监测位移和应变
  • 位移或变形测量
  • 高速/频率场景
    • 碰撞测试,振动


球栅阵列(BGA)图。工程师可以使用数字图像相关(DIC)来评估由于热、机械和热机械载荷引起的热膨胀或翘曲。

DIC是捕获电子元件对模拟热、热机械和机械负载的响应的重要工具。DIC价值的一个最好的例子是它能够测量球栅阵列(BGA)器件的CTE和翘曲。

热机械负载如何影响球栅阵列
BGA是由多个元件组成的复杂半导体封装,包括:

  • 一个或多个硅晶片
  • 填充二氧化硅的环氧包封剂
  • 一种由铜和玻璃纤维增强环氧树脂制成的层状复合材料
  • 数百到数千次焊球

这种复杂的结构,虽然满足性能和成本目标是必要的,但可能会导致热膨胀行为,从而导致现场制造缺陷和故障。


DIC的翘曲结果。

当BGA焊接到印刷电路板(PCB)时,它可以在回流期间经过翘曲。这可能导致焊接缺陷,例如头枕(臀部),这可以减少一级产量并增加保修问题。

在运行过程中,BGA的功耗可以对封装进行加热。如果BGA和PCB有不同的cte,焊锡球可能会受到应力,最终导致疲劳、裂纹扩展和失效。

为了帮助检测和防止这些问题,工程师使用DIC,因为难以使用其他方法估计这些复杂系统的翘曲和CTE。

如何对球栅阵列进行数字图像相关
为了更好地了解DIC,这里是一个示例研究工程师可以用于了解如何测量虚拟BGA的CTE和翘曲。


要学习如何执行DIC,请考虑带有斑点图案并去掉焊接球的BGA。

首先,工程师用焊锡棒除去DIC的焊锡球,以准备样品。

这样做是因为某些部件(如大型有盖组件和四平无引线[QFN]套模)必须逐件解构和分析。

一旦焊锡球被移除,工程师就会在零件上做斑点处理。这是手工完成的,需要大量的练习。重要的是要确保底漆不厚,因为这会影响读数。斑点的大小也需要与DIC相机的焦深相匹配。

然后工程师将斑点BGA放入摄像室,跟踪斑点在不同图像之间移动的距离,随着温度的变化。工程师可以利用整个样本的这些信息来估算CTE。


平面位移由DIC产生。

如何从BGA的数字图像相关处理数据
为了评估DIC的结果,工程师需要绘制BGA的平均应变与温度的关系图。


一个评估平均应变与温度的图表。10ppm /摄氏度(5.4 ppm/华氏度)的斜率等于CTE。

如果一切顺利,线性函数可以适合此数据。在这种情况下,斜率将表示CTE。

在内部示例中,工程师发现斜率在温度范围内略微不同。然而,它可以用一些准确性说明,CTE是大约10ppm /摄氏度(温度在20和150摄氏度之间),或5.4ppm /华氏度(68到302华氏度之间)。

通过这些信息,工程师可以使用ANSYS仿真工具评估特定BGA在操作期间将失败。为此,他们可以将CTE和翘曲配置文件插入ANSYS机械模拟在峰值回流温度(250摄氏度或392华氏度)下经历的翘曲是否会导致锡球与锡膏分离。

在一个内部的例子中,总翘曲,也就是最大负翘曲和正翘曲之间的绝对差,是60微米。这个结果可以通过与BGA的对角线长度进行比较来评估。如果总翘曲和对角线长度之间的百分比低于行业标准的0.3%或0.7%,一切都应该没问题。

评估翘曲的更强大的方法是在PCB的模型上放置BGA的模型,并在机械内运行热电机械模拟。BGA和PCB之间的总分离不应超过100微米,因为这大于典型的焊膏厚度。

可以采用类似的方法来降低客户级别的风险。可将测得的面内CTE输入ANSYS夏洛克然后进行一维和三维模拟来预测温度循环到失效的次数。

DIC与ANSYS仿真工具的结合为工程师提供了在最终设计和测试之前对组件的可制造性和可靠性的深刻见解。要了解更多关于DIC的知识,请参加本次网络研讨会:用数字图像相关(DIC)进行模拟时确保材料性能的准确性



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