BGA焊点微裂纹缺陷检测研究

球栅阵列封装(BGA)元器件的焊点隐藏于IC芯片底部,经电装后仅边缘焊点可见,因此检验其焊接质量是行业普遍的难题。探讨了BGA焊点微裂纹缺陷的产生机理和裂纹分布,设计了基于计算机分层层析成像(CL)技术的BGA焊点微裂纹缺陷检测方法和检测流程。经实测证明,该测试方法可以兼顾检测质量和效率,具有工程应用的可行性,可为BGA焊点检验人员提供参考。

基于响应曲面法的BGA焊点结构参数优化设计

球栅阵列(ball grid array package,BGA)封装因其成本低、电气性能好而被广泛应用于集成电路产业中.文中建立了BGA三维模型,将等效应力作为响应目标,选取焊点直径、焊点高度、焊点间距、芯片厚度作为设计因子,采用响应曲面法设计了25组不同水平组合的焊点结构参数进行仿真计算,并基于遗传算法分析对焊点结构热振可靠性进行了优化.结果表明,焊点间距对BGA结构热振可靠性有重要影响;优化方案组合为焊点直径0.28 mm,焊点高度0.20 mm,焊点间距0.40 mm.经过优化验证分析,该优化方案较原始设计方案等效应力降低了11.92%,实现了BGA器件焊点参数优化目的.

基于随机振动过程应力分析的BGA焊点结构优化

建立了板级BGA(Ball Grid Array)焊点有限元分析模型,选取芯片高度、焊点直径、焊点高度、焊点间距作为设计变量,以焊点应力作为响应目标,分别采用田口正交及曲面响应法设计了25组不同水平组合的焊点模型并进行仿真计算,通过数理统计分析及回归分析对焊点结构参数进行了优化,获得了焊点应力最小结构参数最优水平组合.结果表明:在相同条件下,曲面响应优化的结果优于田口正交的结果;应力最小的焊点水平组合为焊点直径0.32 mm,焊点高度0.20 mm,焊点间距0.36 mm;最优水平组合等效应力值为0.3915 MPa,降低了0.65 MPa,实现了BGA焊点结构参数的优化.

功率循环载荷下BGA焊点应力与应变分析

建立了球栅阵列封装(ball grid array,BGA)焊点有限元分析模型,基于ANAND本构方程,分析了BGA焊点在功率循环载荷下应力与应变的分布情况,并搭建试验平台,完成了功率循环载荷下BGA封装器件应力与应变的测量试验,验证了仿真分析的可行性.选取焊点高度、焊点直径、焊盘直径和FR4基板厚度完成了正交试验分析,通过非线性回归分析得到高拟合度的BGA焊点功率循环应力量化评价模型.结果表明,BGA焊点结构参数对焊点应力影响大小排序为焊盘直径、FR4基板厚度、焊点直径和焊点高度,焊盘直径对BGA焊点应力影响显著,焊点直径、焊点高度和FR4基板厚度对BGA焊点应力影响不显著;最优参数水平组合为焊点高度0.39 mm、焊点直径0.42 mm、焊盘直径0.34 mm和FR4基板厚度0.8 mm,最优水平组合下BGA焊点应力与应变明显降低.创新点:(1)基于ANAND本构方程,模拟分析了BGA焊点在功率循环载荷下应力与应变分布.(2)分析了结构参数对焊点应力的影响显著性,并通过优化模型结构参数获得最佳结构参数组合.(3)通过非线性回归分析获得BGA焊点功率循环应力与结构参数之间的量化评价模型.

基于Darveaux模型的BGA焊点寿命预测影响因素研究

以微系统封装结构中球栅阵列封装(BGA)焊点为研究对象,对热循环载荷下Darveaux模型疲劳寿命预测方法的影响因素进行了探讨.结合有限元仿真分析,分别讨论了裂纹扩展相关系数、粘塑性应变能密度增量和断裂特征长度对Darveaux模型寿命预测结果的影响,揭示了目前焊点可靠性研究中对Darveaux寿命模型在使用时影响因素考虑不充分的现状,并给出了如何考虑上述影响因素的相关建议.进一步,基于蒙特卡洛抽样的全局敏感度分析方法,研究了不同断裂特征长度下,疲劳寿命对Darveaux模型中材料参数的敏感性.研究结果为热循环载荷下正确使用Darveaux模型来预测微系统封装结构的热疲劳寿命提供了有益的参考,为这些关键因素的确定提供了合理性建议与参考依据.

基于HFSS的高速互连BGA焊点信号完整性仿真分析

基于HFSS软件建立了球栅阵列(Ball Grid Array:BGA)焊点模型,获取了焊点表面电场强度分布和回波损耗,分析了信号频率对电场强度分布的影响以及信号频率、焊点最大径向尺寸、焊盘直径和焊点高度对焊点回波损耗的影响;对9种不同参数水平组合的BGA焊点回波损耗进行了极差分析。结果表明:焊点内电场强度随频率增加而减小;回波损耗随信号频率升高和焊点最大径向尺寸增大而增大、随焊盘直径增大和焊点高度增高而减少;对信号完整性影响由大到小依次为:焊点高度、焊盘直径、频率和焊点最大径向尺寸。

BGA焊点气泡缺陷X射线图像的动态阈值分割方法

BGA焊点使用X射线检测时,气泡缺陷的灰度对比度较低,如何准确分割一直是研究热点。提出一种动态阈值分割算法,首先对原始图像进行平滑处理,然后用原始图像减去平滑图像,对得到的差图像设定阈值进行分割,实现目标区域的提取。实验中使用典型BGA焊球的X射线图像,通过控制图像的平滑程度和差图像阈值的大小,分别提取焊球区域和气泡区域,二者相与后实现气泡缺陷的最终分割。实验过程中与OTSU分割算法做对比,表明本算法具有更好的适应性和分割结果。

BGA焊点空洞对信号传输性能的影响

焊点空洞问题是影响BGA焊点质量和可靠性的重要因素之一。基于三维电磁场仿真软件HFSS对单个焊点空洞建模,分别研究了BGA焊点中不同位置、大小和数目的空洞对焊点传输性能的影响。研究结果表明,焊点内部空洞比表面处空洞对信号传输性能的影响更大;在焊点表面上的空洞,位于焊点中部的空洞比接近上下焊盘的空洞对信号传输性能的影响大;随着焊点中空洞体积增大或空洞数目的增加,焊点的回波损耗增大。

复杂背景下X射线BGA焊点气泡检测

基于全局阈值分割的焊点气泡提取不准确,且当焊点被遮挡造成的气泡提取困难时,导致球栅阵列(ball grid array,BGA)焊点气泡检测困难.针对这些复杂背景下BGA焊点气泡的X射线缺陷检测问题,采用阈值分割、焊点圆度、焊点面积等标准提取未被遮挡的焊点,并提出了一种交互式射线轮廓提取方法完成被遮挡焊点轮廓的提取.针对焊点气泡的特点,提出基于灰度形态学、直方图拉伸、模糊增强、BLOB分析综合处理的焊点气泡检测方法.对比试验研究结果表明,该算法对复杂背景下BGA焊点气泡检测有较高准确率.

基于三维X射线和Fisher准则的BGA焊点检测算法

为了提高BGA焊点检测的准确性,基于三维X射线和Fisher准则的基本原理,提出了一种BGA焊点的检测算法.首先采用Fisher准则对BGA断层图像进行分割,从而获得精确的焊点图像,然后提取了BGA焊点常见缺陷的面积特征、连续度特征、位置特征、圆度特征和空洞特征等,在此基础上,设计了一种基于Fisher准则的BGA焊点检测算法.结果表明,算法能有效地检测出短路、偏移、少锡、空洞和开路等BGA焊点缺陷,有较低的误报率和漏报率,能满足实际生产要求.

面向完整传输路径的BGA焊点信号完整性分析及优化

建立了基于BGA(ball grid array)焊点的完整传输路径的HFSS(high frequency simulator structure)电磁仿真模型,基于该模型对完整传输路径在高频条件下的信号完整性问题进行了分析,得到了其回波损耗仿真结果,以及焊点最大径向尺寸、焊点高度尺寸、焊盘直径尺寸对回波损耗的影响.并以焊点最大径向尺寸、焊点高度尺寸、焊盘直径尺寸为设计参数,以完整传输路径6 GHz下的回波损耗作为目标值,设计17组试验仿真计算,采用响应曲面法对仿真计算所得的17组完整传输路径回波损耗与BGA焊点形态参数间关系进行拟合,结合遗传算法对拟合函数进行优化,得到完整传输路径回波损耗最小的BGA焊点组合参数为焊点最大径向尺寸1.05 mm,焊点高度0.75 mm,焊盘直径0.65 mm,并对最优组合参数仿真验证,最优组合仿真结果优于17组试验仿真结果,实现了完整传输路径中BGA焊点的结构优化.

BGA焊点形态和布局对信号完整性的影响

为了研究BGA焊点形态和布局对反射和串扰的影响,基于三维全波电磁仿真软件HFSS,建立了BGA焊点的三维模型,研究BGA焊点的形态(高度、最大外径和焊点端口直径)以及布局对反射和串扰的影响。结果表明,随信号频率、焊点高度、焊点最大外径和焊点端口直径的增大,回波损耗增大;焊点的形态对相邻焊点串扰影响不明显;焊点串扰噪声受相邻焊点影响最大,对角线焊点次之。

基于染料渗透试验的BGA焊点失效分析

对基于染料渗透试验的球栅阵列(BGA)焊点检测方法进行了阐述,通过试验,利用焊点失效模型和焊点开裂面积占比图分析了BGA焊点失效原因并提出改进意见,试验表明,染料渗透试验能全面地反映出BGA焊点的实际质量情况,是一种有效的焊点质量分析技术,能为产品后续的研发或质量改进提供参考。

基于2D投影的BGA焊点X射线检测缺陷图像处理方法

讨论了BGA封装器件焊接的特点,并对BGA封装器件焊点检测方法进行了阐述。采用X射线检测法,通过图像处理技术检测每个焊点的面积、质心和圆度,以此来判断焊点是否有漏焊、焊锡球、桥连、焊球过大或过小、偏移以及焊球变形等缺陷。试验证明,所用系统可以快速、准确地检测出BGA封装器件中常见的焊点缺陷,为BGA封装器件焊点的质量提供保障。

基于回归分析和遗传算法的BGA焊点功率载荷热应力分析与优化

建立了球栅阵列BGA(Ball Grid Array)焊点有限元分析模型,选取焊点高度、焊点最大径向尺寸、上焊盘直径和下焊盘直径作为设计变量,以焊点应力作为目标值,采用响应曲面法设计了29组不同水平组合的焊点模型并建模进行仿真计算,建立了焊点应力与结构参数的回归方程,基于回归方程结合遗传算法对焊点结构参数进行了优化,获得了焊点应力最小的结构参数最优水平组合.结果表明:对于无铅焊料SAC387,焊点应力随焊点的高度增加而减小,随最大径向尺寸的减小而减小;应力最小的焊点水平组合为:焊点高度0.38mm、最大径向尺寸0.42mm、上焊盘直径0.34mm和下焊盘直径0.35mm;对最优水平组合仿真验证表明优化后焊点最大应力下降了4.66MPa,实现了BGA焊点的结构优化.

基于数学形态学BGA焊点分割和提取的改进方法

对经X射线采集到的BGA焊点缺陷图像进行预处理,传统的迭代阈值和灰度拉伸方法对灰度图像很难得到满意的结果,误分割很常见,针对BGA焊点图像的特性,提出了一种结合数学形态学的图像分割改进方法,分割后图像不仅保留了图像的重要信息,而且对于背景复杂、光照不均匀的图像也能取得良好的效果,该方法通过正确选取结构元素加快了图像分割的速度,在此基础上,采用连通域进行区域提取的方法能够准确无误的提取缺陷。实验结果表明,该方法很好实现了缺陷区域的分割和提取,且受噪声影响很小,为进一步的缺陷特征参量的处理奠定了良好的基础。

基于有限元仿真的BGA焊点可靠性分析

集成化与微型化是芯片集成电路产业发展的特点,其中芯片封装热振失效是影响其可靠性的重要原因。为进一步优化BGA焊点结构并提高可靠性,运用ANSYS将TOPLINE的BGA器件建成了3D模型,进行了数值模拟仿真后,利用田口正交稳健设计进行了BGA焊点结构优化。数值分析表明:芯片边角焊点为热失效关键焊点,距封装中心最远焊点为随机振动失效关键焊点;经田口正交优化热设计,焊点阵列为12×12,焊点径向尺寸为0.42 mm,焊点高度为0.38 mm,焊点间距为0.6 m;随机振动设计焊点间距为0.46 mm,焊点径向尺寸为0.42 mm,焊点阵列为10×10,焊点高度为0.30 mm。本研究中的分析成果对优化球珊阵列芯片封装焊点结构的设计,提升芯片封装器件结构稳定性具有重要意义,所提出的优化设计将对封测产业的生产具有一定的影响和价值。

基于再流焊冷却过程应力分析的板极组件BGA焊点参数优化

建立了板级组件BGA(Ball Grid Array)焊点有限元分析模型,对BGA焊点进行了再流焊冷却过程应力仿真分析,设计并完成了验证性实验以验证仿真分析方法的有效性,分析了焊点结构参数和材料变化对焊点再流焊冷却过程应力应变的影响,采用响应面法建立了焊点应力与结构参数的回归方程,结合遗传算法对焊点结构参数进行了优化.结果表明:实验结果证明了仿真分析的有效性;焊点应力随着焊点高度的增加而增大,随着焊点直径的增加而减小;最优焊点结构参数水平组合为:焊点高度0.44mm、焊点直径0.65mm、焊盘直径0.52mm和焊点间距1.10mm;对该最优焊点仿真验证表明最大应力下降了0.1101MPa.

BGA焊点检测技术研究

本文讨论了BGA封装器件焊接的特点,并对BGA器件焊点检测方法进行了分析。重点对常用的BGA焊点检测技术——X射线检测进行研究,分析了X射线检测用于BGA焊点检测的原理,探讨了该方法的优点和待改进的地方。深入分析了自动X射线检测用于BGA焊点检测的数字图像处理技术,基于数字图像处理技术,详细阐述了从BGA检测图像预处理至BGA焊点缺陷检测的整个过程及其涉及的关键技术。

基于串扰耦合的BGA焊点裂纹故障非接触测试方法

针对传统的接触式测试会对电子元器件造成损坏,且无法实现对球栅阵列(ball grid array,简称BGA)封装器件缺陷的识别,提出一种基于耦合宽边带状线理论的非接触测试结构,实现BGA焊点裂纹故障的非接触测试。依据测试结构中的攻击线与BGA焊点连接的受害线之间的耦合原理,针对待测试的BGA焊点结构建立非接触测试结构,提取等效参数并建立等效电路模型。在攻击线源端施加激励信号,通过分析攻击线远端电压与源端电压的比值随频率的变化规律,测得裂纹故障的谐振频率大于无故障的谐振频率。仿真实验结果表明,该方法可实现对BGA焊点裂纹故障的非接触测试。