一種焊點位移實時無損監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種焊點位移實時無損監(jiān)測方法，涉及封裝技術(shù)領(lǐng)域，包括：選定待測焊點；在待測焊點第一側(cè)銅沉積層和第二側(cè)銅沉積層中選定四個待測點；從四對待測點中任意選定兩對作為電流施加點，并將剩下的兩對作為壓差測量點；在兩對電流施加點中任意選擇不處于同一側(cè)銅沉積層中的兩點之間施加電流，并測量兩對壓差測量點中不處于同一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的電壓差；在步驟S4中兩對電流施加點中未施加電流的兩點之間施加電流，并測量兩對壓差測量點中不處于同一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的電壓差；基于測量值計算得到待測焊點三個方向上的位移。其采用精度電壓測量裝置，多次測量待測焊點各個角度的電壓差實現(xiàn)對待測焊點監(jiān)測的目的。
【專利說明】
一種焊點位移實時無損監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及封裝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種焊點位移實時無損監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，電子產(chǎn)品的封裝依賴大量的焊點互聯(lián)。大部分的焊點在產(chǎn)品的服役過程中 都會承受較大的力和熱的循環(huán)載荷，循環(huán)載荷的結(jié)果往往是在焊點中隨著時間的推移積累 起滯塑性變形(viscoplastic deformation)。當變形積累到一定程度的時候，裂紋將會在 焊點中萌生進而擴展至完全破壞，而焊點的破壞往往導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效。目前對焊點破 壞的預(yù)后(prognostic)的技術(shù)難題在于對焊點的滯塑性變形的實時監(jiān)控上，如果焊點的變 形量在裂紋萌生前能被相對精確的測量，那么理論上裂紋出現(xiàn)的時間將會被相對精確的預(yù) 測，這對縮短焊點加速測試的時間、提升產(chǎn)品篩選試驗的效率、降低真實情況下產(chǎn)品的維護 更換頻率以及增加關(guān)鍵部位焊點的安全性起著至關(guān)重要的作用。
[0003] 現(xiàn)有的測量焊點位移的方法包括:剖面電鏡分析、X射線透射以及納米CT等。但是， 這些測量方法都存在一些問題:剖面電鏡分析需要破壞整個封裝系統(tǒng)，并且只能檢測到一 個側(cè)面的位移，并不能實現(xiàn)實時監(jiān)控。X射線透射只能夠表征焊點的剪切位移，并且精度較 低，而且不能實現(xiàn)實時監(jiān)控。納米CT方法能夠測量焊點的各個方向上的位移，精度也較高， 但是同樣不能實現(xiàn)實時監(jiān)控，并且價格很高。
[0004] 總的來說，現(xiàn)有技術(shù)的缺點在于：1).無法進行焊點位移的實時（in-situ)位移監(jiān) 測;2).只有焊點服役中一個時間點的位移能被測量到，對于壽命的預(yù)后沒有大的幫助;3). 現(xiàn)有技術(shù)幾乎無法同時檢測多個焊點的疲勞位移，或者需要極大的工作量以達到此目的； 4).難以和其他的電學(xué)檢測設(shè)備集成，加大了檢測難度更極大程度上冗長了測試時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明旨在提供一種焊點位移實時無損監(jiān)測方法，其采用精度電 壓測量裝置，多次測量待測焊點各個角度的電壓差實現(xiàn)對待測焊點實時無損監(jiān)測的目的。
[0006] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
[0007] -種焊點位移實時無損監(jiān)測方法，具體包括：
[0008] S1選定待測焊點，并得到所述待測焊點的標準電阻；
[0009] S2分別在所述待測焊點的第一側(cè)銅沉積層和第二側(cè)銅沉積層中選定四個相互對 稱的待測點；
[0010] S3從所述四對待測點中任意選定兩對作為電流施加點，并將剩下的兩對作為壓差 測量點；
[0011] S4在所述兩對電流施加點中任意選擇不處于同一側(cè)銅沉積層中的兩點之間施加 電流，并測量兩對壓差測量點中不處于同一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的電壓差；
[0012] S5在步驟S4中兩對電流施加點中未施加電流的兩點之間施加電流，并測量兩對壓 差測量點中不處于同一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的電壓差；
[0013] S6基于步驟S4和步驟S5中的測量值以及步驟S1中得到的標準電阻值計算得到所 述待測焊點X/Y/Z三個方向上的位移，實現(xiàn)對所述待測焊點的監(jiān)測。
[0014] 進一步優(yōu)選地，在步驟S2中，所述第一側(cè)銅沉積層中的四個待測點與所述第二側(cè) 銅沉積層中的四個待測點基于所述待測焊點一一對稱。
[0015] 進一步優(yōu)選地，在步驟S3中，第一側(cè)銅沉積層中的電流施加點和第二側(cè)銅沉積層 中的電流施加點為非對稱點。
[0016]進一步優(yōu)選地，在步驟S6中，具體包括：
[0017] S61基于步驟S4中測量的電壓差值與施加在兩個電流施加點上的電流值，得到該 電流施加方向上的兩個電阻值；
[0018] S62基于步驟S5中測量的電壓差值與施加在兩個電流施加點上的電流值，得到該 電流施加方向上的兩個電阻值；
[0019] S63基于步驟S61和步驟S62中得到的電阻值、步驟S1中得到的標準電阻值以及預(yù) 設(shè)的運算方法計算得到所述待測焊點X/Y/Z三個方向上的位移。
[0020] 進一步優(yōu)選地，在步驟S6中，測量得到的電阻的分辨率小于500ηΩ。
[0021] 進一步優(yōu)選地，在步驟S4和步驟S5中，電流都是從第一側(cè)銅沉積層流向第二側(cè)銅 沉積層或電流都是從第二側(cè)銅沉積層流向第一側(cè)銅沉積層。
[0022]在本技術(shù)方案，在步驟S4和步驟S5中，電流的流向是相同的，即如果說步驟S4中， 電流的流向為從第一側(cè)銅沉積層流向第二側(cè)銅沉積層，則在步驟S5中，同樣電流的流向也 為從第一側(cè)銅沉積層流向第二側(cè)銅沉積層。
[0023]本發(fā)明提供的焊點位移實時無損監(jiān)測方法，能夠帶來以下有益效果：
[0024]本發(fā)明提供的方法利用高精度電壓測量裝置(測得的電阻分辨率小于500η Ω)、通 過特殊的多電極設(shè)計、多次測量待測焊點的各角度的電壓差(根據(jù)電流施加點中電流的方 向多次測量壓差測量點之間的壓差）以達到測量焊點形變的目的。
[0025] 可以看出，本發(fā)明提供的監(jiān)測方法不用破壞整個封裝來實現(xiàn)監(jiān)測的目的，屬于無 損測試方法;且電壓測試的靈活性使得本發(fā)明能夠同時監(jiān)測多個待測焊點（處于測試中或 服役中的待測焊點），節(jié)約了大量的測量時間之外，測量得到的數(shù)據(jù)鏈極大的方便了壽命預(yù) 后(prognosis)。另外，本發(fā)明提供的監(jiān)測方法能夠與現(xiàn)有的電學(xué)測試設(shè)備兼容，整個測試 過程可以實現(xiàn)完全自動化，位移計算方便快捷，節(jié)省時間的同時大大減少了人工成本。
【附圖說明】
[0026] 下面將以明確易懂的方式，結(jié)合【附圖說明】優(yōu)選實施方式，對上述特性、技術(shù)特征、 優(yōu)點及其實現(xiàn)方式予以進一步說明。
[0027] 圖1為本發(fā)明中芯片板級封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明中待測焊點位移與電阻之間的關(guān)系示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明中焊點位移實時無損監(jiān)測方法流程示意圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明中單個待測焊點結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 附圖標記：
[0032] 1-芯片，2-第一側(cè)銅沉積層，3-待測焊點，4-第二側(cè)銅沉積層，5-基板，
[0033] E1~E4為待測焊點第一側(cè)銅沉積層中選定的四個待測點；
[0034] F1~F4為待測焊點第二側(cè)銅沉積層中選定的四個待測點。
【具體實施方式】
[0035] 本發(fā)明提供的焊點位移實時無損監(jiān)測方法主要針對如圖1所示的芯片1板級封裝 結(jié)構(gòu)，在該封裝結(jié)構(gòu)中，通過在待封裝芯片1表面的第一側(cè)銅沉積層2和基板5表面的第二側(cè) 銅沉積層4之間進行焊接操作，實現(xiàn)待封裝芯片1與基板5之間的連接，其中，第一側(cè)銅沉積 層2和第二側(cè)銅沉積層4之間的焊錫即為上述的待測焊點。
[0036] 在實際工作中，待測焊點3的位移由部分構(gòu)成，分別為:基板5平面上兩個方向上的 位移Ux和Uy，以及垂直方向上的位移Uz (X/Y/Z三個方向上的位移）。為了驗證本發(fā)明提供的 焊點位移實時無損監(jiān)測方法的可行性，我們針對待測焊點3三個方向上的位移大小與其電 阻高低之間的關(guān)系進行了仿真，如圖2所示，從圖中可以看出，待測焊點3的阻值隨著施加在 該待測焊點3上應(yīng)力的變化發(fā)生改變，即待測焊點3在三個方向上的位移與焊點的電阻高低 有直接的關(guān)系，且位移的方向也能由電阻的增大或減小來表示。具體，在圖2中，橫坐標X為 施加在待測焊點3上的應(yīng)力大小，縱坐標y為該待測焊點3的電阻率隨應(yīng)力大小的變化。曲線 A中施加在該待測焊點3上的應(yīng)力為張力/拉力，在該曲線中兩者之間的關(guān)系具體為y = 1.3804x;曲線B中施加在該待測焊點3上的應(yīng)力為剪切應(yīng)力，在該曲線中兩者之間的關(guān)系具 體為y = 〇.5433x;曲線C中施加在該待測焊點3上的應(yīng)力為沿垂直方向上的應(yīng)力，兩者之間 呈非線性變化；曲線B中施加在該待測焊點3上的應(yīng)力為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，兩者之間的變化關(guān)系同 樣呈非線性變化。
[0037] 基于以上結(jié)果，如圖3所示，本發(fā)明提供了一種焊點位移實時無損監(jiān)測方法，該監(jiān) 測方法具體包括:S1選定待測焊點3，并得到待測焊點3的標準電阻；S2分別在待測焊點3的 第一側(cè)銅沉積層2和第二側(cè)銅沉積層4中選定四個相互對稱的待測點；S3從四對待測點中任 意選定兩對作為電流施加點，并將剩下的兩對作為壓差測量點；S4在兩對電流施加點中任 意選擇不處于同一側(cè)銅沉積層中的兩點之間施加電流，并測量兩對壓差測量點中不處于同 一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的電壓差;S5在步驟S4中兩對電流施加點中未施加電流的 兩點之間施加電流，并測量兩對壓差測量點中不處于同一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的 電壓差;S6基于步驟S4和步驟S5中的測量值以及步驟S1中得到的標準電阻值計算得到待測 焊點X/Y/Z三個方向上的位移，實現(xiàn)對待測焊點3的監(jiān)測。
[0038] 具體來說，在步驟S1中，由本發(fā)明主要應(yīng)用于芯片板級封裝結(jié)構(gòu)中，在該結(jié)構(gòu)中勢 必包括數(shù)量較多的焊點，故首先我們需要選定待測焊點3,且在該待測焊點3服役之前就測 量得到該待測焊點3的標準電阻，在一個實施例中，待測焊點3的標準電阻Ro為100μ Ω。在這 里要說明的是，為了描述方便，在以上方法的描述過程中，我們只選定了一個待測焊點3,但 是在實際應(yīng)用中，由使用本發(fā)明提供的監(jiān)測方法可以同時監(jiān)測多個待測焊點3,故可以根據(jù) 需要選定任意數(shù)量的待測焊點3,我們不做具體限定。
[0039] 由圖1中可以看到，每個待測焊點3兩側(cè)都包括兩側(cè)銅沉積層（圖示中的第一側(cè)銅 沉積層2和第二側(cè)銅沉積層4)，如圖4所示，當我們選定好了待測焊點3之后(在步驟S2中）， 就分別在第一側(cè)銅沉積層2和第二側(cè)銅沉積層4中選定四個待測點，作為后續(xù)電流電壓的測 量點。為了方便測量結(jié)果的計算，第一側(cè)銅沉積層2中的四個待測點（如圖4中的Ε1/Ε2/Ε3/ Ε4四個待測點）與第二側(cè)銅沉積層4中的四個待測點（如圖4中的F1/F2/F3/F4四個待測點） 基于待測焊點3-一對稱。具體來說，這里說的對稱具體為上下位置的對稱，即第一側(cè)銅沉 積層2中的待測點E1與第二側(cè)銅沉積層4中的待測點F1對稱、第一側(cè)銅沉積層2中的待測點 E2與第二側(cè)銅沉積層4中的待測點F2對稱，以此類推。
[0040] 選定了待測點之后，隨即在選定的四對待測點中選定兩對作為電流施加點（步驟 S3)，并將剩余的兩對作為壓差測量點。比如說選定兩對待測點E1/F1和E2/F2作為電流施加 點，則相應(yīng)的選擇兩對待測點E3/F3和E4/F4作為壓差測量點。
[0041] 接著，在步驟S3中，從選定好的兩對電流施加點中選擇兩點施加電流，當然，這兩 點不能選在同一側(cè)，施加的電流需流經(jīng)待測焊點3(電流從一側(cè)銅沉積層流向另一個銅沉積 層）。更進一步來說，第一側(cè)銅沉積層2中的電流施加點和第二側(cè)銅沉積層4中的電流施加點 為非對稱點，如，在一個實施例中，選定第一側(cè)銅沉積層2中的待測點E3和第二側(cè)銅沉積層4 中的待測點F2作為電流施加點(此時選定兩對待測點E2/F2和E3/F3作為電流施加點）；在另 一個實施例中，選定第一側(cè)銅沉積層2中的待測點E1和第二側(cè)銅沉積層4中的待測點F2作為 電流施加點(此時選定兩對待測點E1/F1和E2/F2作為電流施加點）等。
[0042] 選定了電流施加點并施加了電流之后，隨即在兩對壓差測量點中選擇兩個不在同 一側(cè)的兩點測量電壓差(步驟S4/S5)。如，在一個具體實施例中，選定的兩對電流施加點分 另IJ為待測點E2/F2和E3/F3,并在待測點E2和待測點F3之間施加電流，則相應(yīng)的測量待測點 E1和待測點F4之間的電壓差、及測量待測點E4和待測點F1之間的電壓差;又如，在一個具體 實施例中，選定的兩對電流施加點分別為待測點E1/F1和E3/F3,并在待測點E1和待測點F3 之間施加電流，則相應(yīng)的測量待測點E1和待測點F4之間的電壓差、及測量待測點E4和待測 點F2之間的電壓差。
[0043] 測量完了電壓差得到相應(yīng)數(shù)據(jù)之后，在步驟S6中，基于步驟S4和步驟S5中的測量 值以及步驟S1中得到的標準電阻值計算得到待測焊點X/Y/Z三個方向上的位移，實現(xiàn)對待 測焊點3的監(jiān)測在步驟S6中。具體來說，在該步驟總包括:S61基于步驟S4中測量的電壓差值 與施加在兩個電流施加點上的電流值，得到該電流施加方向上的兩個電阻值;S62基于步驟 S5中測量的電壓差值與施加在兩個電流施加點上的電流值，得到該電流施加方向上的兩個 電阻值;S63基于步驟S61和步驟S62中得到的電阻值、步驟S1中得到的標準電阻值以及預(yù)設(shè) 的運算方法計算得到待測焊點X/Y/Z三個方向上的位移。要說明的是，為了提高測量的精 度，在本發(fā)明中，采用高精度測量電壓測量裝置測量壓差測量點之間的電壓差，以此滿足計 算得到的電阻值的分辨率小于500ηΩ。
[0044] 在一個具體實施例中，假定選定的兩對電流施加點分別為待測點E2/F2和E3/F3， 則待測點E1/F1和E4/F4即為電壓測量點。
[0045] 當電流從第一側(cè)銅沉積層2中的待測點Ε3流向第二側(cè)銅沉積層4中的待測點F2，此 時，測量待測點Ε1和待測點F 4之間的電壓差，并計算得到相應(yīng)電阻電阻，記為R_E 3 F 2 / / E1F4。以此，對該待測點進行四次測量，最后計算得到的電阻分為為：R_E 3F2//E1F4、R_ E3F2//E4F1、R_E2F3//E1F4、以及R_E2F3//E4F1。進而根據(jù)以下公式計算得到X/Y/Z三個方 向上的應(yīng)變量ε χ、εγ以及εζ:

[0050]其中，公式中的k是材料的應(yīng)變靈敏度，對于較薄金屬材料通常取值為2;k2是與電 流垂直方向上的位移與電阻的關(guān)系系數(shù)，可由仿真獲得。由此可以看出，上述4個未知數(shù)εχ、 ey、e z、以及1^可以通過解方程組獲得，由此即可得到該待測焊點3在三個方向上的位移量 Ux、Uy、以及 Uz。
[0051 ] 在一個實施例中，待測焊點3三個方向上的實際位移分別為Ux = 8um、Uy = -10um、 以及1^ = 911111，使用本方法測得的位移量分別為1^=10.211111、1^ = -12.711111、以及1^ = 8.111111， 可以看出，本發(fā)明提供的方法測量出來的值與真實值相差甚小，具有可行性，能夠用于實際 應(yīng)用中。
[0052]應(yīng)當說明的是，上述實施例均可根據(jù)需要自由組合。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選 實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提 下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種焊點位移實時無損監(jiān)測方法，其特征在于，所述監(jiān)測方法具體包括： S1選定待測焊點，并得到所述待測焊點的標準電阻； S2分別在所述待測焊點的第一側(cè)銅沉積層和第二側(cè)銅沉積層中選定四個相互對稱的 待測點； S3從所述四對待測點中任意選定兩對作為電流施加點，并將剩下的兩對作為壓差測量 占. S4在所述兩對電流施加點中選擇不處于同一側(cè)銅沉積層中的兩點，并在其之間施加電 流，同時測量兩對壓差測量點中不處于同一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的電壓差； S5在步驟S4中兩對電流施加點中未施加電流的兩點之間施加電流，同樣測量兩對壓差 測量點中不處于同一側(cè)銅沉積層中的任意兩點之間的電壓差； S6基于步驟S4和步驟S5中的測量值以及步驟S1中得到的標準電阻值計算得到所述待 測焊點Χ/Υ/Ζ三個方向上的位移，實現(xiàn)對所述待測焊點的監(jiān)測。2. 如權(quán)利要求1所述的焊點位移實時無損監(jiān)測方法，其特征在于， 在步驟S2中，所述第一側(cè)銅沉積層中的四個待測點與所述第二側(cè)銅沉積層中的四個待 測點基于所述待測焊點一一對稱。3. 如權(quán)利要求2所述的焊點位移實時無損監(jiān)測方法，其特征在于， 在步驟S4中，第一側(cè)銅沉積層中的電流施加點和第二側(cè)銅沉積層中的電流施加點為非 對稱點。4. 如權(quán)利要求1-3任意一項所述的焊點位移實時無損監(jiān)測方法，其特征在于，在步驟S6 中，具體包括： S61基于步驟S4中測量的電壓差值與施加在兩個電流施加點上的電流值，得到該電流 施加方向上的電阻值； S62基于步驟S5中測量的電壓差值與施加在兩個電流施加點上的電流值，得到該電流 施加方向上的電阻值； S63基于步驟S61和步驟S62中得到的電阻值、步驟S1中得到的標準電阻值以及預(yù)設(shè)的 運算方法計算得到所述待測焊點Χ/Υ/Ζ三個方向上的位移。5. 如權(quán)利要求4所述的焊點位移實時無損監(jiān)測方法，其特征在于，在步驟S6中，測量得 到的電阻的分辨率小于500η Ω。6. 如權(quán)利要求1-3任意一項所述的焊點位移實時無損監(jiān)測方法，其特征在于，在步驟S4 和步驟S5中，電流都是從第一側(cè)銅沉積層流向第二側(cè)銅沉積層或電流都是從第二側(cè)銅沉積 層流向第一側(cè)銅沉積層。
【文檔編號】G01B7/02GK106091907SQ201610388608
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月3日 公開號201610388608.5, CN 106091907 A, CN 106091907A, CN 201610388608, CN-A-106091907, CN106091907 A, CN106091907A, CN201610388608, CN201610388608.5
【發(fā)明人】張靖, 張國旗, 漢克范澤爾, 樊學(xué)軍
【申請人】常州市武進區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院