基于CT成像的焊点电迁移损伤孔洞分布特征确定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CT成像的焊点电迁移损伤孔洞分布特征确定方法，主要解决现有技术无法对焊点内部损伤进行观测的问题。其实现方案是：根据行业规范标准制备测试样件；对测试样件进行电迁移实验，并利用热像仪、应变片和数据采集系统，分别测试样件在实验中的温度、应变和焊点的电压；对测试后的样件进行CT扫描，获得样品二维灰度图像；利用Avizo软件对二维灰度图像进行三维图像重构；利用Label Analysis对焊点内部三维重构图像中的孔洞体积和表面积分类统计，确定出电迁移造成损伤的孔洞分布特征。本发明专利技术能准确确定孔洞分布特征，提高焊点失效分析精确度和适用性，可用于对电子封装结构中焊点的失效寿命预测和可靠性评估。性评估。性评估。

【技术实现步骤摘要】
基于CT成像的焊点电迁移损伤孔洞分布特征确定方法


[0001]本专利技术属于电子封装
，特别涉及一种焊点电迁移损伤孔洞分布特征确定方法，可用于对电子封装结构中焊点的失效寿命预测和可靠性评估。

技术介绍

[0002]焊点作为电子封装主要的电气连接和机械支撑结构，承受了温度场、机械应力场、电磁场的耦合作用，是电子封装结构最易失效的位置，其可靠性直接影响着电子电路的使用寿命。目前，随着电子封装密度的提高，器件上工作电流增加，焊点中的局部高电流密度和温度会引起其内部出现孔洞的损伤，导致器件导电性能下降甚至无法工作。因此，定量确定高电流密度下焊点内部结构的损伤，不仅利于揭示焊点失效机理及损伤演化规律，而且利于电子封装结构失效寿命的预测。
[0003]目前对焊点电迁移损伤的研究主要通过扫描电子显微镜手段和数值仿真方法。但是，扫描电子显微镜需要对焊点进行预处理，会造成其内部结构的二次损伤，无法真实反映电迁移引起的孔洞。同时，数值仿真模型的建立，需要结合一定的假设条件，并不能真正的结合焊点内部结构的实际进行。与之相比，三维无损扫描成像技术，避免了对焊点内部结构的附加损伤，可定量直观的表现焊点电迁移引起的内部结构变化。
[0004]张跃平在学位论文2021BGA封装结构温循载荷下力学响应研究中.提出对焊点的疲劳损伤重构结合X射线CT与数字体积相关DVC方法，实现了对球装阵列BGA封装结构内部焊点三维应变场的测量，并与有限元仿真结果进行了对比验证，且对基于X射线CT获得的三维数字图像对BGA封装焊点的形貌进行了三维表征，且基于DVC模块对焊点进行塑性变形计算。目前的有限元仿真分析主要基于对物体外形的测量进行模拟仿真，该模型不能对焊点内部的变形及孔洞进行分析，对于该研究对象电路板中的焊点来说，并不能对每一个焊点的尺寸大小进行单独建模，也难以获取焊点以及各部件内部的缺陷信息，所以导致仿真结构不精细，甚至会出现与实际结构不同的情况。虽然该方法基于Avizo软件的表面网格重划模块Remesh Surface将仿真对象的实际形状进行优化并重新划分网格，使焊点有限元模型网格更接近实际结构并且更加细化，但该方法只能较为接近焊点的真实结构，仍不能获取焊点内部的实际结构，且该方法缺少焊点的内部孔洞的损伤分析，不能反映焊点损伤后实际的力学性能的改变，无法为后续研究提供可靠的数据支撑。
[0005]申请号为CN201510793413.4的专利文献公开了一种BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，其对焊点虚焊的检测先采用较小的激光束斑直径进行逐点扫描测温，将红外热像仪固定在与三维移动平台的z轴相连的支撑架上，使红外热像仪位于BGA芯片所在一侧，在z方向上移动调焦、定位，保证被测BGA芯片的焊球区域在视野范围内；再采用入射角度可调的支架固定激光器，使激光器位于BGA芯片的基底所在一侧并使激光器的激光束斑对准BGA芯片的基底上的待测焊盘进行预热，直至在PC机上观察到热像图；最后调整激光器的加热功率和脉冲时间，对经过预热的待测焊盘进行加热，红外热像仪实时检测BGA芯片焊球区域的温升过程，同时拍摄温升最高点的热像图并发送至PC机，当温升达到指定范围则
该焊点为合格焊点。该方法虽然对焊点结构无损，判断是否合格的依据较直观，但只能通过温升幅度间接判断焊点损伤情况，无法具体观测焊点内部的损伤结构，而对于焊点电迁移损伤在内部具有的孔洞，也无法通过该方法直观地获取焊点内部的孔洞数据。
[0006]郭福,文廷玉,马立民等在北京工业大学学报2021,47(11):1264
‑
1274发表的“高温高电流密度下BGA焊点电迁移损伤”一文中，提出采用有限元仿真软件进行热
‑
电
‑
力
‑
浓度多物理场耦合，基于孔洞形成和扩散准则对电迁移损伤过程进行分析，当电迁移发生时，焊点内部的金属失去电子形成离子并完成迁移，该过程中焊点内部的离子浓度成为判断孔洞形成的关键依据，当该网格内的原子浓度小于临界原子浓度时，软件判定该处为孔洞，通过对焊点内部原子浓度的大小的改变分析电迁移损伤结果。由于该仿真软件基于对焊点的有限元模型的建立，且边界条件为理想条件，因而不能还原焊点在真实环境下发生电迁移后的内部的损伤，且不能对内部损伤进行进一步数据提取及分析，该文章也没有相关实验数据，不能验证仿真数据的有效性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于CT成像的焊点电迁移损伤孔洞分布特征确定方法，以得到焊点内部的实际结构，直观地获取焊点内部的孔洞数据和损伤焊点的孔洞分布特征，为焊点的疲劳寿命的预测提供更真实的数据及可靠的数据支撑。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0009](1)根据行业规范标准制备测试样件；
[0010](2)对测试样件进行电迁移实验，并利用热像仪、应变片和数据采集系统，分别得到测试样件在实验中的温度T、应变ε和焊点A2的电压U
A2
；
[0011](3)对测试后的样件进行CT扫描，获得样品二维灰度图像；
[0012](4)利用Avizo软件对二维灰度图像进行三维图像重构：
[0013]4a)利用非锐化遮蔽算法Unsharp masking对二维灰度图像进行清晰度和降噪预处理；
[0014]4b)利用Top
‑
hat算子对处理后的二维灰度图像进行对比度增强和阈值分割，结果如图3；
[0015]4c)利用体积绘制Volume rendering对阈值分割后的图像进行三维重构，得到焊点内部电迁移损伤的三维重构可视化图像；
[0016](5)利用Label Analysis对焊点内部三维重构图像中的孔洞体积和表面积进行分类统计，确定电迁移造成损伤的孔洞分布特征，为确定焊点在力学结构中的不稳定区域提供数据。
[0017]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0018]1.本专利技术利用CT扫描技术对进行电迁移实验后的焊点进行扫描，使用Top
‑
hat算子的高通滤波性，利用形态学开运算和闭运算的相互组合对二维灰度图像数据进行三维重构，不仅增强了灰度图像的对比度，而且能精确表征孔洞缺陷及焊点内部细微结构的变化，即实现了焊点内部孔洞损伤的三维重构。
[0019]2.本专利技术结合焊点损伤的三维重构数据，通过统计分析计算确定损伤表面积、体
积和等效直径等参数，可实现焊点孔洞损伤的定量表征，为焊点损伤机理研究提供依据。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的实现流程图；
[0021]图2为本专利技术实施例中的测试样件灰度图像三维重构图；
[0022]图3为本专利技术实施例中的测试样品焊点阈值处理图；
[0023]图4为本专利技术实施例中测试样品焊点孔洞损伤和基体的三维渲染图。
[0024]图5为本专利技术实施例的测试样品焊点损伤等效直径分布图。
具体实施方式
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CT成像的焊点电迁移损伤孔洞分布特征确定方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据行业规范标准制备测试样件；(2)对测试样件进行电迁移实验，并利用热像仪、应变片和数据采集系统，分别得到测试样件在实验中的温度T、应变ε和焊点A2的电压U
A2
；(3)对测试后的样件进行CT扫描，获得样品二维灰度图像；(4)利用Avizo软件对二维灰度图像进行三维图像重构：4a)利用非锐化遮蔽算法Unsharp masking对二维灰度图像进行清晰度和降噪预处理；4b)利用Top
‑
hat算子对处理后的二维灰度图像进行对比度增强和阈值分割；4c)利用体积绘制Volume rendering对阈值分割后的图像进行三维重构，得到焊点内部电迁移损伤的三维重构可视化图像；(5)利用Label Analysis对焊点内部三维重构图像中的孔洞体积和表面积进行分类统计，确定电迁移造成损伤的孔洞分布特征，为确定焊点在力学结构中的不稳定区域提供数据。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中根据行业规范标准制备的测试样件，是在大小为95
×
95
×
1mm的整块PCB板上采用无铅Sn
‑
Ag
‑
Cu作为焊点材料，在焊盘周围涂有阻焊剂，选择基于P沟道场效应管的六点型金属氧化物芯片，基本尺寸为1.48
×
0.98
×
0.145mm，焊球直径为0.26mm，通过金属布线对芯片与封装结构的电路进行互连，并通过沉积光刻形成厚度为0.02mm、宽为0.24mm的铜引线，构成测试样件。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的电迁移实验，实行如下：先设置工作电流，在指定位置处贴装箔式应变片，再将样件芯片的两个引脚B2和A2分别与电源正负极连接，并将引脚和应变计接入数据采集系统，打开电源，利用热像仪对样件温度T进行实时捕捉并配合专业热像仪分析软件FORTIC AnalyzIR分析处理；在通电过程中，孔洞的增长会引起焊点A2的横截面积发生变化，造成焊点的电阻值随之改变，通过焊点两端的电压变化反映孔洞的演变规律，由此获得焊点的失效时间。4.根据权利1述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用应变片测得测试样件的应变ε，是根据测量获得的0
°
、45
°
和90
°
方向的应变结果，由下式完成三个方向的平面应变ε
x
、ε
y
和γ
xy
的计算：其中，ε0°
，ε
45
°
，ε
90
°
分别为样件在三个方向测得的应变数据，ε
x
、ε
y
和γ
xy
为平面应变。5.根据权利1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用数据采集系统测试样件在实验中的焊点A2电压U
A2
，表示如下：式中，R
A2
为焊点阻值，I为通电电流，焊点电阻率ρ
R
和电阻长度l视为定值，S
A2
为焊点横
截面积，焊点A2的电阻和横截面积S
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾斐，习昱辰，牛乐毅，张国续，仇原鹰，叶俊杰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：