电子封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于很多集成电路产品而言,封装技术是非常关键的一环。


随着5G、物联网等概念深入人心,系统级封装器件的需求急剧上升,带动各下游应用领域。电子器件是非常复杂的系统,其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。因此,研究封装缺陷和失效需要对封装过程进行全场监测与分析,这样才能从多个角度去探究缺陷产生的原因。


VIC-3D 非接触全场测量系统作为研究电子封装失效分析的重要测量工具,广泛应用于电子元器件装配、引线键合、芯片 FCB(倒装焊) 等电子封装领域测试分析。


案例一 | 元器件引脚紧固方式和紧固工艺的可靠性及热效应分析


试验背景:在电路板装配重要元器件过程中,紧固顺序和扭矩大小的不同都会对元器件,特别是在元器件引脚部位产生装配应力和变形。由此,产品在使用和长时间工作过程中,元器件引脚因为疲劳或装配应力、蠕变,造成无法工作。 因此元器件引脚紧固方式和紧固工艺的可靠性及热效应分析非常重要。 


如下图所示,在不同扭矩作用下元器件应变分布特性:


▲10NM扭矩最大主应变   ▲未紧固螺栓原器件周围分布

▲20NM扭矩最大主应变   ▲15NM扭矩最大主应变

▲ 不同紧固顺序下元器件应变分布特性


研究内容及关键点:


👉 紧固螺栓应变影响范围:0—8mm ;2mm 处2000个微应变(最大应变),8mm处只有10几个微应变,应变梯度下降快。普通应变片直接覆盖了整个阶梯下降区域,无法测量紧固过程中的应变分布变化。



👉 VIC-3D 应变云图可直接作为紧固方式以及紧固工艺选择依据;




👉 可通过 VIC-3D 系统获取的应变和应变速率变化,直接给出故障诊断依据;




👉 元器件引脚热效应分析——元器件装配工艺筛选高加速寿命分析,通过 VIC-3D 测试引脚部位应变集中判断元器件的热效应变形分布; 

案例二 | Intel 元器件引脚不同温度加载测试



试验背景:电子元器件在使用过程中会出现发热,发热和冷却过程可视为热疲劳过程。不同温度载荷下元器件展现出不同应变分布特性和位移特性,采用 VIC-3D 系统可直接观测元器件在不同温度变化过程中其引脚出现应变集中和失效形式。由于电子元器件在显微镜和SEM下,图像具有很大的光学畸变和失真,对实验结果产生误差。VIC-3D 系统专利的光学畸变校正算法可完美解决在显微镜和 SEM下图像的光学畸变和失真。


▲引脚区域变形测试图

▲引脚区域消除光学畸变前后的应变与位移分布云图



▲引脚区域消除光学畸变前后应变分布曲线


研究内容及关键点:


👉 VIC-3D 系统专利的光学畸变校正算法可完美解决在显微镜和 SEM 下图像的光学畸变;


👉 VIC-3D 系统可通过应变云图直接提取温度疲劳载荷过程中影响区域的分布特性,作为引线键合失效判定依据;


👉 VIC-3D 系统应变分析数据结果‍,可直接用于不同材料热膨胀系数判断依据;


👉 可直接测量 PCB 和引脚部位截面热效应,直接测量热变形引起的开胶等失效位置和应变梯度;



案例三 | 芯片 FCB (倒装焊)热效应分析


试验背景:树脂开裂是芯片和基板等电子封装中常见的失效形式。硅板和基板采用200℃高温加热焊接。然而,硅片与有机层压板之间的热膨胀系数(CTE)不匹配导致层压板中有大量残余应力。元器件在工作状态中会产生热疲劳,以及芯片和基板长时间工作产生低周疲劳,最终破坏层合板的回路,导致元器件不能正常运行。由此,芯片封装中硅片、基板以及粘结胶热膨胀系数测量,和 FCB 等封装焊点的应变集中、热效应测试至关重要。
 
▲元器件热压倒装焊封装示意图
▲ 热压倒装焊测量
▲ 倒角位置热效应分析 

VIC-3D系统在封装工艺测试应用:可直接测量封装材料热膨胀系数,其测量过程中VIC-3D 光学畸变专利技术和特有温度梯度引起光线折射消除方案为测试精度提供精确保证。VIC-3D系统可直接测量芯片封装中,硅片、粘结层以及基板等热变形效应。测量芯片粘结关键位置力学特性,如三点弯测试,断裂失效应变分布和应变集中位置。




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VIC-3D 全场测量系统助力芯片封装

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