一种焊点位移实时无损监测方法
【专利摘要】本发明提供了一种焊点位移实时无损监测方法，涉及封装技术领域，包括：选定待测焊点；在待测焊点第一侧铜沉积层和第二侧铜沉积层中选定四个待测点；从四对待测点中任意选定两对作为电流施加点，并将剩下的两对作为压差测量点；在两对电流施加点中任意选择不处于同一侧铜沉积层中的两点之间施加电流，并测量两对压差测量点中不处于同一侧铜沉积层中的任意两点之间的电压差；在步骤S4中两对电流施加点中未施加电流的两点之间施加电流，并测量两对压差测量点中不处于同一侧铜沉积层中的任意两点之间的电压差；基于测量值计算得到待测焊点三个方向上的位移。其采用精度电压测量装置，多次测量待测焊点各个角度的电压差实现对待测焊点监测的目的。
【专利说明】
一种焊点位移实时无损监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及封装技术领域，尤其涉及一种焊点位移实时无损监测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，电子产品的封装依赖大量的焊点互联。大部分的焊点在产品的服役过程中 都会承受较大的力和热的循环载荷，循环载荷的结果往往是在焊点中随着时间的推移积累 起滞塑性变形(viscoplastic deformation)。当变形积累到一定程度的时候，裂纹将会在 焊点中萌生进而扩展至完全破坏，而焊点的破坏往往导致整个系统的失效。目前对焊点破 坏的预后(prognostic)的技术难题在于对焊点的滞塑性变形的实时监控上，如果焊点的变 形量在裂纹萌生前能被相对精确的测量，那么理论上裂纹出现的时间将会被相对精确的预 测，这对缩短焊点加速测试的时间、提升产品筛选试验的效率、降低真实情况下产品的维护 更换频率以及增加关键部位焊点的安全性起着至关重要的作用。
[0003] 现有的测量焊点位移的方法包括:剖面电镜分析、X射线透射以及纳米CT等。但是， 这些测量方法都存在一些问题:剖面电镜分析需要破坏整个封装系统，并且只能检测到一 个侧面的位移，并不能实现实时监控。X射线透射只能够表征焊点的剪切位移，并且精度较 低，而且不能实现实时监控。纳米CT方法能够测量焊点的各个方向上的位移，精度也较高， 但是同样不能实现实时监控，并且价格很高。
[0004] 总的来说，现有技术的缺点在于：1).无法进行焊点位移的实时（in-situ)位移监 测;2).只有焊点服役中一个时间点的位移能被测量到，对于寿命的预后没有大的帮助;3). 现有技术几乎无法同时检测多个焊点的疲劳位移，或者需要极大的工作量以达到此目的； 4).难以和其他的电学检测设备集成，加大了检测难度更极大程度上冗长了测试时间。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明旨在提供一种焊点位移实时无损监测方法，其采用精度电 压测量装置，多次测量待测焊点各个角度的电压差实现对待测焊点实时无损监测的目的。
[0006] 本发明提供的技术方案如下：
[0007] -种焊点位移实时无损监测方法，具体包括：
[0008] S1选定待测焊点，并得到所述待测焊点的标准电阻；
[0009] S2分别在所述待测焊点的第一侧铜沉积层和第二侧铜沉积层中选定四个相互对 称的待测点；
[0010] S3从所述四对待测点中任意选定两对作为电流施加点，并将剩下的两对作为压差 测量点；
[0011] S4在所述两对电流施加点中任意选择不处于同一侧铜沉积层中的两点之间施加 电流，并测量两对压差测量点中不处于同一侧铜沉积层中的任意两点之间的电压差；
[0012] S5在步骤S4中两对电流施加点中未施加电流的两点之间施加电流，并测量两对压 差测量点中不处于同一侧铜沉积层中的任意两点之间的电压差；
[0013] S6基于步骤S4和步骤S5中的测量值以及步骤S1中得到的标准电阻值计算得到所 述待测焊点X/Y/Z三个方向上的位移，实现对所述待测焊点的监测。
[0014] 进一步优选地，在步骤S2中，所述第一侧铜沉积层中的四个待测点与所述第二侧 铜沉积层中的四个待测点基于所述待测焊点一一对称。
[0015] 进一步优选地，在步骤S3中，第一侧铜沉积层中的电流施加点和第二侧铜沉积层 中的电流施加点为非对称点。
[0016]进一步优选地，在步骤S6中，具体包括：
[0017] S61基于步骤S4中测量的电压差值与施加在两个电流施加点上的电流值，得到该 电流施加方向上的两个电阻值；
[0018] S62基于步骤S5中测量的电压差值与施加在两个电流施加点上的电流值，得到该 电流施加方向上的两个电阻值；
[0019] S63基于步骤S61和步骤S62中得到的电阻值、步骤S1中得到的标准电阻值以及预 设的运算方法计算得到所述待测焊点X/Y/Z三个方向上的位移。
[0020] 进一步优选地，在步骤S6中，测量得到的电阻的分辨率小于500ηΩ。
[0021] 进一步优选地，在步骤S4和步骤S5中，电流都是从第一侧铜沉积层流向第二侧铜 沉积层或电流都是从第二侧铜沉积层流向第一侧铜沉积层。
[0022]在本技术方案，在步骤S4和步骤S5中，电流的流向是相同的，即如果说步骤S4中， 电流的流向为从第一侧铜沉积层流向第二侧铜沉积层，则在步骤S5中，同样电流的流向也 为从第一侧铜沉积层流向第二侧铜沉积层。
[0023]本发明提供的焊点位移实时无损监测方法，能够带来以下有益效果：
[0024]本发明提供的方法利用高精度电压测量装置(测得的电阻分辨率小于500η Ω)、通 过特殊的多电极设计、多次测量待测焊点的各角度的电压差(根据电流施加点中电流的方 向多次测量压差测量点之间的压差）以达到测量焊点形变的目的。
[0025] 可以看出，本发明提供的监测方法不用破坏整个封装来实现监测的目的，属于无 损测试方法;且电压测试的灵活性使得本发明能够同时监测多个待测焊点（处于测试中或 服役中的待测焊点），节约了大量的测量时间之外，测量得到的数据链极大的方便了寿命预 后(prognosis)。另外，本发明提供的监测方法能够与现有的电学测试设备兼容，整个测试 过程可以实现完全自动化，位移计算方便快捷，节省时间的同时大大减少了人工成本。
【附图说明】
[0026] 下面将以明确易懂的方式，结合【附图说明】优选实施方式，对上述特性、技术特征、 优点及其实现方式予以进一步说明。
[0027] 图1为本发明中芯片板级封装结构示意图；
[0028] 图2为本发明中待测焊点位移与电阻之间的关系示意图；
[0029] 图3为本发明中焊点位移实时无损监测方法流程示意图；
[0030] 图4为本发明中单个待测焊点结构示意图。
[0031] 附图标记：
[0032] 1-芯片，2-第一侧铜沉积层，3-待测焊点，4-第二侧铜沉积层，5-基板，
[0033] E1~E4为待测焊点第一侧铜沉积层中选定的四个待测点；
[0034] F1~F4为待测焊点第二侧铜沉积层中选定的四个待测点。
【具体实施方式】
[0035] 本发明提供的焊点位移实时无损监测方法主要针对如图1所示的芯片1板级封装 结构，在该封装结构中，通过在待封装芯片1表面的第一侧铜沉积层2和基板5表面的第二侧 铜沉积层4之间进行焊接操作，实现待封装芯片1与基板5之间的连接，其中，第一侧铜沉积 层2和第二侧铜沉积层4之间的焊锡即为上述的待测焊点。
[0036] 在实际工作中，待测焊点3的位移由部分构成，分别为:基板5平面上两个方向上的 位移Ux和Uy，以及垂直方向上的位移Uz (X/Y/Z三个方向上的位移）。为了验证本发明提供的 焊点位移实时无损监测方法的可行性，我们针对待测焊点3三个方向上的位移大小与其电 阻高低之间的关系进行了仿真，如图2所示，从图中可以看出，待测焊点3的阻值随着施加在 该待测焊点3上应力的变化发生改变，即待测焊点3在三个方向上的位移与焊点的电阻高低 有直接的关系，且位移的方向也能由电阻的增大或减小来表示。具体，在图2中，横坐标X为 施加在待测焊点3上的应力大小，纵坐标y为该待测焊点3的电阻率随应力大小的变化。曲线 A中施加在该待测焊点3上的应力为张力/拉力，在该曲线中两者之间的关系具体为y = 1.3804x;曲线B中施加在该待测焊点3上的应力为剪切应力，在该曲线中两者之间的关系具 体为y = 〇.5433x;曲线C中施加在该待测焊点3上的应力为沿垂直方向上的应力，两者之间 呈非线性变化；曲线B中施加在该待测焊点3上的应力为扭转应力，两者之间的变化关系同 样呈非线性变化。
[0037] 基于以上结果，如图3所示，本发明提供了一种焊点位移实时无损监测方法，该监 测方法具体包括:S1选定待测焊点3，并得到待测焊点3的标准电阻；S2分别在待测焊点3的 第一侧铜沉积层2和第二侧铜沉积层4中选定四个相互对称的待测点；S3从四对待测点中任 意选定两对作为电流施加点，并将剩下的两对作为压差测量点；S4在两对电流施加点中任 意选择不处于同一侧铜沉积层中的两点之间施加电流，并测量两对压差测量点中不处于同 一侧铜沉积层中的任意两点之间的电压差;S5在步骤S4中两对电流施加点中未施加电流的 两点之间施加电流，并测量两对压差测量点中不处于同一侧铜沉积层中的任意两点之间的 电压差;S6基于步骤S4和步骤S5中的测量值以及步骤S1中得到的标准电阻值计算得到待测 焊点X/Y/Z三个方向上的位移，实现对待测焊点3的监测。
[0038] 具体来说，在步骤S1中，由本发明主要应用于芯片板级封装结构中，在该结构中势 必包括数量较多的焊点，故首先我们需要选定待测焊点3,且在该待测焊点3服役之前就测 量得到该待测焊点3的标准电阻，在一个实施例中，待测焊点3的标准电阻Ro为100μ Ω。在这 里要说明的是，为了描述方便，在以上方法的描述过程中，我们只选定了一个待测焊点3,但 是在实际应用中，由使用本发明提供的监测方法可以同时监测多个待测焊点3,故可以根据 需要选定任意数量的待测焊点3,我们不做具体限定。
[0039] 由图1中可以看到，每个待测焊点3两侧都包括两侧铜沉积层（图示中的第一侧铜 沉积层2和第二侧铜沉积层4)，如图4所示，当我们选定好了待测焊点3之后(在步骤S2中）， 就分别在第一侧铜沉积层2和第二侧铜沉积层4中选定四个待测点，作为后续电流电压的测 量点。为了方便测量结果的计算，第一侧铜沉积层2中的四个待测点（如图4中的Ε1/Ε2/Ε3/ Ε4四个待测点）与第二侧铜沉积层4中的四个待测点（如图4中的F1/F2/F3/F4四个待测点） 基于待测焊点3-一对称。具体来说，这里说的对称具体为上下位置的对称，即第一侧铜沉 积层2中的待测点E1与第二侧铜沉积层4中的待测点F1对称、第一侧铜沉积层2中的待测点 E2与第二侧铜沉积层4中的待测点F2对称，以此类推。
[0040] 选定了待测点之后，随即在选定的四对待测点中选定两对作为电流施加点（步骤 S3)，并将剩余的两对作为压差测量点。比如说选定两对待测点E1/F1和E2/F2作为电流施加 点，则相应的选择两对待测点E3/F3和E4/F4作为压差测量点。
[0041] 接着，在步骤S3中，从选定好的两对电流施加点中选择两点施加电流，当然，这两 点不能选在同一侧，施加的电流需流经待测焊点3(电流从一侧铜沉积层流向另一个铜沉积 层）。更进一步来说，第一侧铜沉积层2中的电流施加点和第二侧铜沉积层4中的电流施加点 为非对称点，如，在一个实施例中，选定第一侧铜沉积层2中的待测点E3和第二侧铜沉积层4 中的待测点F2作为电流施加点(此时选定两对待测点E2/F2和E3/F3作为电流施加点）；在另 一个实施例中，选定第一侧铜沉积层2中的待测点E1和第二侧铜沉积层4中的待测点F2作为 电流施加点(此时选定两对待测点E1/F1和E2/F2作为电流施加点）等。
[0042] 选定了电流施加点并施加了电流之后，随即在两对压差测量点中选择两个不在同 一侧的两点测量电压差(步骤S4/S5)。如，在一个具体实施例中，选定的两对电流施加点分 另IJ为待测点E2/F2和E3/F3,并在待测点E2和待测点F3之间施加电流，则相应的测量待测点 E1和待测点F4之间的电压差、及测量待测点E4和待测点F1之间的电压差;又如，在一个具体 实施例中，选定的两对电流施加点分别为待测点E1/F1和E3/F3,并在待测点E1和待测点F3 之间施加电流，则相应的测量待测点E1和待测点F4之间的电压差、及测量待测点E4和待测 点F2之间的电压差。
[0043] 测量完了电压差得到相应数据之后，在步骤S6中，基于步骤S4和步骤S5中的测量 值以及步骤S1中得到的标准电阻值计算得到待测焊点X/Y/Z三个方向上的位移，实现对待 测焊点3的监测在步骤S6中。具体来说，在该步骤总包括:S61基于步骤S4中测量的电压差值 与施加在两个电流施加点上的电流值，得到该电流施加方向上的两个电阻值;S62基于步骤 S5中测量的电压差值与施加在两个电流施加点上的电流值，得到该电流施加方向上的两个 电阻值;S63基于步骤S61和步骤S62中得到的电阻值、步骤S1中得到的标准电阻值以及预设 的运算方法计算得到待测焊点X/Y/Z三个方向上的位移。要说明的是，为了提高测量的精 度，在本发明中，采用高精度测量电压测量装置测量压差测量点之间的电压差，以此满足计 算得到的电阻值的分辨率小于500ηΩ。
[0044] 在一个具体实施例中，假定选定的两对电流施加点分别为待测点E2/F2和E3/F3， 则待测点E1/F1和E4/F4即为电压测量点。
[0045] 当电流从第一侧铜沉积层2中的待测点Ε3流向第二侧铜沉积层4中的待测点F2，此 时，测量待测点Ε1和待测点F 4之间的电压差，并计算得到相应电阻电阻，记为R_E 3 F 2 / / E1F4。以此，对该待测点进行四次测量，最后计算得到的电阻分为为：R_E 3F2//E1F4、R_ E3F2//E4F1、R_E2F3//E1F4、以及R_E2F3//E4F1。进而根据以下公式计算得到X/Y/Z三个方 向上的应变量ε χ、εγ以及εζ:
[0050]其中，公式中的k是材料的应变灵敏度，对于较薄金属材料通常取值为2;k2是与电 流垂直方向上的位移与电阻的关系系数，可由仿真获得。由此可以看出，上述4个未知数εχ、 ey、e z、以及1^可以通过解方程组获得，由此即可得到该待测焊点3在三个方向上的位移量 Ux、Uy、以及 Uz。
[0051 ] 在一个实施例中，待测焊点3三个方向上的实际位移分别为Ux = 8um、Uy = -10um、 以及1^ = 911111，使用本方法测得的位移量分别为1^=10.211111、1^ = -12.711111、以及1^ = 8.111111， 可以看出，本发明提供的方法测量出来的值与真实值相差甚小，具有可行性，能够用于实际 应用中。
[0052]应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选 实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提 下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种焊点位移实时无损监测方法，其特征在于，所述监测方法具体包括： S1选定待测焊点，并得到所述待测焊点的标准电阻； S2分别在所述待测焊点的第一侧铜沉积层和第二侧铜沉积层中选定四个相互对称的 待测点； S3从所述四对待测点中任意选定两对作为电流施加点，并将剩下的两对作为压差测量 占. S4在所述两对电流施加点中选择不处于同一侧铜沉积层中的两点，并在其之间施加电 流，同时测量两对压差测量点中不处于同一侧铜沉积层中的任意两点之间的电压差； S5在步骤S4中两对电流施加点中未施加电流的两点之间施加电流，同样测量两对压差 测量点中不处于同一侧铜沉积层中的任意两点之间的电压差； S6基于步骤S4和步骤S5中的测量值以及步骤S1中得到的标准电阻值计算得到所述待 测焊点Χ/Υ/Ζ三个方向上的位移，实现对所述待测焊点的监测。2. 如权利要求1所述的焊点位移实时无损监测方法，其特征在于， 在步骤S2中，所述第一侧铜沉积层中的四个待测点与所述第二侧铜沉积层中的四个待 测点基于所述待测焊点一一对称。3. 如权利要求2所述的焊点位移实时无损监测方法，其特征在于， 在步骤S4中，第一侧铜沉积层中的电流施加点和第二侧铜沉积层中的电流施加点为非 对称点。4. 如权利要求1-3任意一项所述的焊点位移实时无损监测方法，其特征在于，在步骤S6 中，具体包括： S61基于步骤S4中测量的电压差值与施加在两个电流施加点上的电流值，得到该电流 施加方向上的电阻值； S62基于步骤S5中测量的电压差值与施加在两个电流施加点上的电流值，得到该电流 施加方向上的电阻值； S63基于步骤S61和步骤S62中得到的电阻值、步骤S1中得到的标准电阻值以及预设的 运算方法计算得到所述待测焊点Χ/Υ/Ζ三个方向上的位移。5. 如权利要求4所述的焊点位移实时无损监测方法，其特征在于，在步骤S6中，测量得 到的电阻的分辨率小于500η Ω。6. 如权利要求1-3任意一项所述的焊点位移实时无损监测方法，其特征在于，在步骤S4 和步骤S5中，电流都是从第一侧铜沉积层流向第二侧铜沉积层或电流都是从第二侧铜沉积 层流向第一侧铜沉积层。
【文档编号】G01B7/02GK106091907SQ201610388608
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610388608.5, CN 106091907 A, CN 106091907A, CN 201610388608, CN-A-106091907, CN106091907 A, CN106091907A, CN201610388608, CN201610388608.5
【发明人】张靖, 张国旗, 汉克范泽尔, 樊学军
【申请人】常州市武进区半导体照明应用技术研究院