基于串扰耦合的BGA焊点裂纹故障非接触测试方法

2020-12-18尚玉玲

桂林电子科技大学学报 2020年2期

杨哲，尚玉玲

(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004)

球栅阵列(ball grid array，简称BGA)封装技术已成为一种可靠的电气互连方法，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[1]。由于回流焊工艺、焊点疲劳等原因，BGA焊点会产生裂纹、空洞、缺失等物理结构故障，也可以分为开路故障和短路故障。焊接后BGA焊点隐藏在封装下面，很难直接检测焊接质量，这就需要一种非接触测试方法来测试焊点的缺陷。

国内外对BGA焊点故障测试进行了很多研究，Lu等[2]利用主动红外热成像法对焊点进行了实验缺陷测试，并采用K均值算法对焊球进行聚类分析和缺陷识别，但由于加热温度不好控制，受外界影响大。吴浩[3]提出了一种与遗传算法相结合的光学检测方法提取焊点缺陷特征，实现焊点缺陷检测，其缺点是检测受环境影响大，检测系统会出现漏判和误判的情况，而且图像处理算法复杂，计算时间长。Liu等[4]利用激光超声和干涉仪采集BGA焊点阵列的声学图像来提取特征，通过神经网络实现对焊点缺陷的分类，但检测结果受电子元器件的封装结构影响较大，且实验所用的声学耦合介质会对焊点造成损害。Song等[5]将图像处理算法与X射线检测方法相结合，实现BGA焊点的缺陷识别与定位，缺点是对于重叠方向的缺陷难以识别，会出现漏判，且成本高，对人体会造成一定的危害。Abdelghani等[6]提出了一种非接触电路板结构，通过电路板上传输线之间的耦合，根据感测线的耦合响应判断BGA焊点故障。为此，提出一种非接触测试方法来测试BGA焊点的裂纹故障，以避免传统接触式测试给电子元器件带来物理性损伤。

1 BGA焊点裂纹故障的非接触测试结构

当2根传输线之间无屏蔽紧靠在一起时，由于传输线电磁场的相互作用，传输线之间存在功率耦合，这2根传输线称为耦合传输线[7]。常用的耦合传输线结构有耦合带状线、耦合微带线、耦合宽边带状线。针对耦合宽边带状线结构，提出一种非接触测试结构来测试BGA焊点的裂纹故障。

图1为BGA焊点非接触测试结构示意图。测试结构中的传输线称为攻击线，用来感知待测试对象中传输线两端连接的BGA焊点是否存在故障。待测试对象中BGA焊点连接的传输线称为受害线。非接触测试板是独立可拆卸的，由地参考层、过孔和攻击线组成。

闭合时的测试结构示意图如图2所示。测试时，测试板位于待测试对象上方，待测试对象的芯片在测试板上的对应区域是被挖空的，以保证攻击线和受害线紧靠在一起，两者之间的耦合间距仅是两层阻焊层的厚度。当测试板与待测试对象闭合时，攻击线和受害线通过两者之间的阻焊层形成具有高耦合的耦合宽边带状线结构。

图1 非接触测试结构示意图

图2 闭合时的测试结构示意图

非接触测试结构与BGA焊点结构模型如图3所示。攻击线作为信号攻击载体，待测试对象中的受害线与BGA焊点作为信号受害载体。在外加激励的情况下，攻击线与受害线之间存在耦合关系形成的电场强度为1.71 kV/m，电场在待测试BGA焊点中形成耦合电流[8]。当BGA焊点存在裂纹故障时，焊点阻抗发生变化[9]，整个电路谐振时的固有频率改变，从而影响谐振频率。因此，可通过谐振频率实现对故障的诊断。

图3 非接触测试结构模型

攻击线的特性阻抗为50 Ω，非接触测试结构能通过PCB双面板实现。攻击线与受害线之间由0.012 7×2=0.025 4 mm厚度的阻焊层隔开，耦合长度设置为25 mm，且攻击线与受害线除长度不同，其传输线宽度、厚度以及叠层结构完全一致。

测试板和BGA的材料属性如表1所示。其中：εr,air为空气的相对介电常数；εr,Si为Si的相对介电常数；εr,mask为阻焊层的相对介电常数；εr,FR4为介质层FR4相对介电常数；ε0为真空介电常数；εi为IMC层的介电常数；ρ为焊点材料的电阻率；μ0为材料的真空磁导率；σ为铜导体的电导率。

表1 测试板和BGA的材料属性

2 BGA焊点裂纹故障建模

在服役过程中，由于应力作用，焊点会出现裂纹，若裂纹发展，会完全断裂为开路故障。裂纹故障可分为部分断裂和全部断裂2种情况。假设部分断裂的裂纹最长为0.5 mm，焊点裂纹故障建模中将焊点看成小段的扁平导体，将焊点内部裂纹故障等效成宽度为焊点宽度的长方体[10]。图4为BGA焊点裂纹故障示意图。其中：L为焊点长度；w为焊点宽度；H为焊点厚度；I为焊点通过的电流，方向如图中箭头所示。为方便分析，假设焊点内裂纹宽度为焊点宽度w，长度为l，间距为d，裂纹面积为Sc。

图4 BGA焊点裂纹故障示意图

2.1 焊点电阻

直流无损焊点电阻为

(1)

直流受损焊点电阻为

(2)

当l=L时，焊点断裂。趋肤效应时导体电阻为厚度δ的薄层电阻，δ薄层的面积为

Sδ=2δ(w+L-2δ),L>2δ，

(3)

因此，高频无损焊点电阻为

(4)

高频受损焊点电阻为

(5)

2.2 焊点电感

无损焊点的电感为

(6)

焊点受损时，未损区域的横截面流过传导电流，此时的焊点电感Lball为

(7)

2.3 焊点电容

(8)

其中di为焊点IMC层的厚度。焊点无损的电容C0为

(9)

焊点裂纹等效电容Cl为

(10)

受损焊点的总电容Cball为

(11)

BGA焊点裂纹故障等效电路如图5所示。

图5 BGA焊点裂纹故障等效电路图

以横截面为1 mm×1 mm、厚度为0.8 mm的矩形焊点为研究对象，IMC层厚度为0.001 mm，经计算，无故障电阻为0.319 mΩ，无故障电感为0.134 nH，无故障电容为7.080 pF。当裂纹长度为0.5 mm、间距为0.001 mm时，焊点故障电阻为0.810 mΩ，故障电感为0.156 nH，故障电容为3.933 pF。由此可见，当焊点产生裂纹故障时，电阻和电感增大，电容减小。

3 焊点裂纹故障模型测试

通过非接触测试结构模型提取攻击线与受害线的电容、电感、电阻矩阵。利用公式以及参数提取得到等效电路模型中各结构的参数值，建立非接触测试结构的等效电路模型[11]如图6所示。

图6 非接触测试结构的等效电路模型

4 仿真实验

当输入信号的频率与RLC电路的固有频率相同时，电路才会激起谐振，所以可通过测量谐振频率的方法进行故障测试。在攻击线源端施加激励后，监测一定频率范围内的受害线远端电压与源端电压之比。通过实验发现，故障BGA焊点和无故障BGA焊点的谐振频率不同[12]。攻击线远端测试到的信号由谐振频率决定，且谐振频率主要受焊点电参数影响。

测试样本包括2种情况：1)两端均无故障焊点；2)一端无故障焊点，另一端有裂纹故障焊点。当受害线远端和近端分别端接一个裂纹故障焊点和一个无故障焊点时，攻击线上测得的耦合响应如图7所示。从图7可看出，随着谐振频率的增加，攻击线远端电压与源端电压比先减小至0，再增大到接近0.5后减小，且在谐振频率处，攻击线端电压与源端电压比为0。焊点无故障的谐振频率为f0，裂纹故障0.1 mm焊点的谐振频率为fm1，裂纹故障0.5 mm焊点的谐振频率为fm2，fm1、fm2均大于f0，且fm1为4.7 GHz，fm2为2.2 GHz。

焊点裂纹长度与谐振频率的关系如图8所示。从图8可看出，与无故障焊点相比，裂纹故障会导致谐振频率增大，随着裂纹长度增大，谐振频率减小。