ESPI在板级BGA封装器件焊球失效检测中的应用.docx

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ESPI在板级BGA封装器件焊球失效检测中的应用

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0引言

球栅阵列封装(BGA)是I/O端子以球形或柱形焊点，按阵列形式分布的器件封装形式，适用于高1/0数、高性能、多功能及高密度化的封装，得到了广泛应用。但BGA器件组装后焊点不外露，焊接质量检测困难。目前常用的焊球失效分析手段．主要有电测试、沩界扫描测试和X射线扫描等方法…。该方法步骤多、成本高、工艺集成性差、检测效率不高。

作为一种有效的无损检测手段，电子散斑干涉(ESPI)具有非接触、全场、高灵敏度、高精度等特点，已广泛应用于机械土木、航空航天、生物医学等领域。ESPI的位移测量可达光波长量级，在相移技术和图像处理辅助下，甚至能分辨30nm以下的微位移。在电子封装领域，与ESPI相关的工作主要集中于用ESPI表征微电子器件在热应力下的表面微位移，研究器件在加工和工作时的热稳定性和失效机制。利用ESPI对微小位移的高精度分辨率，有可能对微小缺陷造成的位移变化进行分析。

本文用ESPI对完好的，以及包含失效焊点的BGA封装模拟器件在机械载荷下的离面位移进行测试，通过与完好样品的比较识别失效焊点。结合有限元(FEM)模拟，对焊点附近的位移分布进行分析。由此对失效焊点定位，并进一步判断失效模式。1ESPI光路与原理

图1是实验采用的ESPI离面位移测试光路。图中：1是波长632nm氦氖激光器；2是渐变镀膜分光镜；3和9是过半球扩束镜；4是试样及加载；5是焦距28·80mm变焦镜头；6是镀膜全反射镜；7是PZT及其电源；8是双偏振片；10是棱镜；11是像素768×576CCD。

在图l所示的光路中，氦氖激光器发出红色激光，经分光镜，分为出射的物光与反射的参考光。物光经扩束后，投射到试样表面。参考光经全反镜和压电陶瓷(PZT)相移器反射后，用双偏振片调整光强，扩束、投射到棱镜表面。两者最终由CCD采集系统接收，输入计算机，进行计算处理。

设试样变形前，两束相干光的光强分别为

Io(x,y)=Aoexp[/cpo(x,y)]

(1)式中：Ao和A，分别为物光与参考光的振幅；cPo和u，分别为其相位。两者在CCD靶面上形成的光强为

，（x，y)=Ag+A2+2AoA,cOs(cPo-u，)

(2)变形后，假设试样的位移与位移梯度都不很大，则物光散斑场的振幅基本不变，相位从cPo改变为crPo-Acp，即

o（x，y)=Aoexp[cPo（x，y)-Ag]

(3)且变形前后，参考光的光强不变。则试样变形后，CCD靶面上的光强为

对两副光强图进行相减处理，得到为低频散斑条纹，与试样变形引起的光波相位变化相关。

根据光的波动方程以及上述光路中各器件位置的几何关系，有式中：R是照明激光的波长；埘是试样变形的离面位移；“是试样变形的面内位移；B是照明光与试样表面法线的夹角。在照明角度较小的情况下，离面位移与相位变化之间的关系满足

当获得样品表面△u的值后，就可以由式(7)得到位移分布。2ESPl测试实验

首先制备简易BGA试样，然后用上述ESPI系统，分别测量完好、右下角焊球分层和右下角焊球脱落BGA试样的离面位移条纹。

简易BGA试样如图2所示，在长宽厚为14.60mm×10.68mm×0.92mm的PCB板上通过电镀、刻蚀等工艺，生成有焊盘、引线等基本互连，植上3×2的铅锡焊球阵列作为模拟器件，焊球的直径为0.76mm，横向间距4.00mm，纵向间距6.00mm。然后将该模拟器件焊接到长宽厚分别为100，40，0.92mm的PCB板上。

试样的夹持和施载方式如图2所示。PCB板的两边固定在支架中。实验时，垂直向上表面推顶PCB板的底面中心，记录试样上表面的位移条纹。图3为BGA试样的ESPI离面位移条纹图。

在图3(a)中，条纹形状对称，基本规则。据此可判断该试样的位移场无明显异常，焊点完好，与实际情况相符。

在图3(b)中，模拟器件右下角处的条纹出现了不连续突变，位移场与[来自wWw.lW5u.Com]完好焊点样品的位移场相比有明显差异。据此可判定该试样右下角处的焊球发生失效，与实际情况相符。

在图3(c)中，模拟器件右侧的条纹出现了不连续突变。据此可判断该试样右侧的BGA焊点存在缺陷，但不能分辨是右上角还是右下角。准确失效焊点定位和失效模式判断可以结合FEM进行进一步分析，将在后文详述。

ESPI条纹图表明，试样中焊球完整性遭到破坏后，整个样品的离面位移有明显的异常。使用对ESPI开发的PhotoMecharucsTools软件，可以根据公式(5)和式(7)，从ESPI的条纹图，计算得到试样表面的离面位移场，并用Winsurf软件绘制为等高线表面图