基于脉冲涡流热成像的焊点缺陷检测及寿命预测

摘要

在许多先进的电子产品封装形式中，球栅阵列(Ball Grid Array)封装技术已经成为一种可靠的电气互连方法，BGA封装技术采用凸焊点实现芯片与基底之间的机械和电器连接，满足了电子产品对高密度、小尺寸以及最优性能的要求。随着BGA焊点密度的提高及其间距的进一步减小，芯片在生产以及服役过程中的散热和热失配问题就更加严重，焊点的缺陷检测以及可靠性评估已经成为阻碍BGA封装技术发展的关键问题。
　　为解决高密度BGA封装中微小焊点的微小缺陷检测以及焊点可靠性评估难题，本文首次提出利用脉冲涡流热成像技术(Pulse Eddy Current Thermography)来检测和识别焊点缺陷，同时对焊点的可靠性进行研究进而预测寿命。本文的主要研究内容如下：
　　(1)焊点缺陷检测的机理研究。通过有限元仿真分析基于脉冲涡流热成像技术的BGA焊点缺陷检测的机理，特别是激励参数的确定，如电流密度、频率、线圈位置等对检测结果的影响。研究裂纹、空洞以及缺失等常见缺陷对涡流场以及温度场的扰动,通过比较不同缺陷焊点顶端面温度之间的差异，实现了焊点缺陷的识别和评估。
　　(2)缺陷尺寸的定量分析。建立焊点缺陷处于不同位置时的感应热仿真模型，分析缺陷尺寸大小对焊点顶端面温度特征值的影响，定量分析了焊点顶端面温度随缺陷尺寸变化的规律；同时，研究了焊点尺寸对缺陷可测性的影响。
　　(3)BGA焊点的可靠性研究。通过建立焊点的Darveaux热疲劳仿真模型，分析了在热循环条件下焊点的应力应变关系，根据应力应变关系确定了失效焊点的位置；讨论了焊点在热疲劳失效过程中，疲劳裂纹的扩展规律，通过分析疲劳裂纹对焊点顶端面感应热温度的影响，得出可以利用脉冲涡流热成像技术对焊点的疲劳寿命进行预测以及可靠性评估的结论。
　　(4)焊点缺陷检测的实验研究。搭建实验平台，分别对直径为0.4mm、0.5mm以及0.76mm带有缺陷的BGA焊点阵列进行实验，得到了红外热图像。结合绝对温度法、归一化法以及高通滤波等热图像数据处理方法，对实验获取的热图像进行了处理，降低了热图像中的热噪声，提高热图像中的缺陷识别和检测能力。
　　本文基于脉冲涡流热成像技术实现了对BGA焊点阵列中常见缺陷的检测，实验证明了使用该技术能有效检测和识别直径为0.4mm，0.5mm，0.76mm焊点阵列上的裂纹、空洞以及缺失等缺陷。同时，在分析焊点疲劳裂纹扩展规律的基础上，应用脉冲涡流热成像技术对焊点可靠性进行了评估。

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第一章 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 BGA封装技术

1.3 国内外研究现状

1.4本文主要内容与组织结构

第二章 焊点缺陷检测及寿命预测理论基础

2.1 脉冲涡流热成像检测技术

2.2 脉冲涡流热成像焊点缺陷评估理论

2.3焊点失效机理及寿命预测方法

2.4 本章小结

第三章 焊点缺陷检测的脉冲涡流热成像仿真

3.1有限元分析方法

3.2 焊点缺陷仿真模型参数确定

3.3焊点常见缺陷仿真以及热性能分析

3.4 本章小结

第四章 焊点寿命预测

4.1引言

4.2 热疲劳仿真模型的建立

4.3 仿真结果分析

4.4 基于脉冲涡流感应热的焊点寿命预测

4.5本章小结

第五章 焊点缺陷检测的脉冲涡流热成像实验

5.1实验

5.2 热图像处理

5.3本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的科研成果